賽普拉斯PSoC4芯片揭秘：玩轉(zhuǎn)SAR ADC模塊

　　Cypress在2013年第二季度推出了新一代可編程片上系統(tǒng)PSoC4系列產(chǎn)品，作為PSoC（Programmable System on Chip）芯片家族中的一員，PSoC4保持了Cypress具有特色的片內(nèi)可編程數(shù)字資源和豐富的模擬資源，同時由于采用ARM Cortex-M0作為處理核心，其運算性能也有顯著提高。PSoC4內(nèi)含許多獨具匠心的功能模塊，逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Successive Approximation Register Analog Digital Convertor，以下簡稱SAR ADC）就是其中之一。本文即以SAR ADC為例，介紹如何使用PSoC4實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計。

　　PSoC4簡介

　　PSoC4現(xiàn)包含CY8C4100和CYCY8C4200兩個產(chǎn)品系列，均采用ARM Cortex-M0作為處理核心。PSoC4具有靈活的可編程和可重新配置的模擬、數(shù)字模塊，結(jié)合芯片內(nèi)部靈活的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，可以使用一塊芯片實現(xiàn)復(fù)雜的混合信號設(shè)計。

　　圖1是PSoC4的系統(tǒng)框圖，以下概括了其主要特性，詳細內(nèi)容可以參考Cypress網(wǎng)站上的PSoC4的數(shù)據(jù)手冊。

　　● 48MHz ARM Cortex-M0中央處理器，支持單周期乘法

　　● 最大支持32KB閃存（Flash），最大支持4KB SRAM存儲器

　　● 高達36個可靈活配置的通用輸入輸出管腳（GPIO），均可配置為觸摸感應(yīng)輸入

　　● 兩個可靈活配置驅(qū)動能力和帶寬的運算放大器，可以工作在比較器模式，也可做ADC的輸入緩沖器

　　● 一個12-bit 1M采樣率的SAR ADC，支持差分和單端輸入，無軟件開銷的輸入通道切換，硬件實現(xiàn)的采樣結(jié)果平均，采樣結(jié)果范圍比較

　　● 兩個電流數(shù)模轉(zhuǎn)換器（IDAC），不用于CapSense時可以輸出給內(nèi)部模塊，或通過GPIO輸出用于其他用途

　　● 兩個內(nèi)部低功耗比較器，可以在深度睡眠和休眠模式下工作，可以產(chǎn)生喚醒信號中斷睡眠

　　● 一個電容感應(yīng)（CapSense）模塊，提供極佳的信噪比和防水功能，具有簡單易用的應(yīng)用設(shè)計接口

　　● 四個通用數(shù)字模塊（UDB），每個包含兩個微型的可編程邏輯陣列和一個8位數(shù)據(jù)運算單元。Cypress提供了自定義組件功能，用戶可以根據(jù)設(shè)計需要，使用Verilog控制UDB實現(xiàn)用戶定制的功能模塊

　　● 2個可靈活配置的串行通訊模塊（SCB），每個均可配置成SPI/UART/I2C，支持基于串口的LIN、IrDA、SmartCard協(xié)議

　　● 四個16比特的定時器/計數(shù)器/脈沖寬度調(diào)制模塊（TCPWM），支持中心對齊、邊沿對齊模式，偽隨機模式，支持靈活的死區(qū)控制，PWM可與ADC同步，用戶可自定義在PWM周期內(nèi)任一時刻觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換），支持同步刷新PWM的占空比

　　圖1：PSoC4芯片系統(tǒng)框圖

　　與 Cypress前一代產(chǎn)品PSoC3/5相同，PSoC4仍然使用PSoC Creator作為集成開發(fā)環(huán)境。PSoC Creator將硬件資源抽象成了眾多的功能模塊（Component），每個模塊實現(xiàn)一種基本功能，例如PWM模塊，I2C模塊，基本與門，中斷響應(yīng)模塊，輸入輸出管腳等等。設(shè)計者像繪制原理圖一樣，選擇適當模塊，將其輸入輸出與其他模塊連接，然后通過每個模塊提供的圖形化配置向?qū)гO(shè)置模塊參數(shù)，之后編寫適當?shù)能浖a，即可實現(xiàn)所需功能。這種模塊化的設(shè)計方法令設(shè)計者能夠?qū)⒏嗑性趯崿F(xiàn)應(yīng)用的功能上，而無需關(guān)注許多底層硬件配置細節(jié)。PSoC Creator的詳細使用手冊可以在Cypress網(wǎng)站上獲得。

　　PSoC4 SAR ADC模塊

　　與前幾代PSoC相比，PSoC4增強了ADC模塊的功能。在結(jié)構(gòu)上，PSoC4采用了可獲得較高采樣速率的逐次逼近式（Successive Approximation Register，SAR）ADC，能夠?qū)崿F(xiàn)最高1Msps的單通道采樣。PSoC4包含一個SAR核心，通過切換采樣通道，可以實現(xiàn)多路輸入信號的轉(zhuǎn)換。為了減少通道切換對CPU運行時間的占用，PSoC4集成了一個8通道采樣輸入多路器，提供采樣通道硬件切換，從而去掉了通道切換的軟件開銷。

　　該多路器最多支持8路單端輸入，或者4路差分輸入，或者同時包含單端輸入和差分輸入。圖2中實例（a）~（c）分別實現(xiàn)了全單端輸入，全差分輸入，和單端/ 差分混合輸入，如果應(yīng)用所需的輸入信號小于SAR的最大允許值，通過設(shè)置SAR的配置可以隱藏未使用的輸入通道，如實例（d）使用了兩個單端輸入通道，此時多路器僅自動切換兩個通道，忽略未使用的其余六個通道。

　　圖2：四個SAR設(shè)計實例 - 處理單端輸入與差分輸入

　　PSoC4 SAR一次完整的單通道采樣包含兩個階段：信號獲取（Acquisition）和采樣轉(zhuǎn)換（Convertion）。在信號獲取階段，SAR獲得當前輸入通道的信號值，儲存在內(nèi)部的采樣保持器中；在采樣轉(zhuǎn)換階段，SAR通過不斷改變參考電壓值，與采樣保持器中的信號值做比較，從而將信號值數(shù)字化，得到采樣結(jié)果。PSoC4 SAR的信號獲取時間可以由用戶設(shè)定，而采樣轉(zhuǎn)換時間與采樣結(jié)果位數(shù)相關(guān)，以1Msps采樣率為例，默認的信號獲取時間為222.2納秒，采樣轉(zhuǎn)換時間為 777.8納秒。

　　PSoC4 SAR將這兩個階段設(shè)計成了流水線的結(jié)構(gòu)，兩個階段之間可獨立運行。因而，對于多通道采樣，當前輸入通道進行采樣轉(zhuǎn)換時，多路器可以切換至下一路通道，從而提供一個額外時間對電路中的寄生電容充放電，保證SAR在進入信號獲取階段之前，輸入信號已經(jīng)達到穩(wěn)定。圖3是一個3通道采樣的工作示意圖，從圖中可以看出，PSoC4 SAR在具有較高采樣速度的同時，仍有充足時間獲得穩(wěn)定的采樣信號。

　　圖3：3通道SAR采樣工作示意圖