嵌入式系统原理与应用EMB-7 PSOC5可编程模拟子系统

第7章PSOC5可编程模拟子系统•第1节可编程模拟系统及其布线结构•第2节模/数转换器(ADC)与数/模转换器(DAC)模块•第3节模拟比较器(CMP)模块•第4节通用运算放大器(GPA)模块•第5节开关电容/连续时间(SC/CT)模块•第6节液晶显示(LCD)直接驱动模块•第7节电容感应(CapSense)模块•第8节精密参考源与温度传感器模块第7章PSOC5可编程模拟子系统•第1节可编程模拟系统及其布线结构•第2节模/数转换器(ADC)与数/模转换器(DAC)模块•第3节模拟比较器(CMP)模块•第4节通用运算放大器(GPA)模块•第5节开关电容/连续时间(SC/CT)模块•第6节液晶显示(LCD)直接驱动模块•第7节电容感应(CapSense)模块•第8节精密参考源与温度传感器模块可编程模拟子系统概述•根据应用特定要求，将标准和高级模拟信号处理模块结合在一起。模块互相联结，并且连接到芯片的任意引脚，提供高级的设计灵活性和IP安全性。灵活的，可配置的模拟布线结构：模拟全局总线，模拟复用总线模拟本地总线；模拟子系统框图•高分辨率Δ-Σ模数转换器(ADC)•逐次逼近寄存器型(SuccessiveApproximationRegister-SAR)ADC•数模转换器(DAC)•模拟比较器；•开关电容/连续时间(SC/CT)模块•通用放大器；•电容感应模块；•高精度参考源；•温度传感器可编程模拟子系统资源•PSoCCreator软件程序为设计者提供友好的图形界面接口，在GPIO与各种模拟资源间配置模拟连接。提供各种元件的库，配置模拟模块实现应用程序特定的功能(PGA，互阻放大器。电压DAC，电流DAC等)。也生成API接口库允许设计者编写固件，在模拟外设和CPU/存储器之间进行通信。灵活的模拟布线结构，提供连接GPIO和不同模拟模块的能力。灵活的布线结构中最独特的特点：允许动态布线输入和输出，连接到不同的模拟模块。可编程模拟子系统配置模拟系统布线结构•模拟布线结构可灵活配置；16个模拟全局总线(AnalogGlobalBus-AGB)和2个模拟复用总线(AMUXBUS)与GPIO和模拟模块连接。每个GPIO与模拟全局总线和模拟复用总线连接；8个模拟本地总线(AnalogLocalBus-ALB)在不同模拟模块之间连接信号；复用器和开关，选择模拟模块的输入和输出。•分4个象限，每象限4个模拟全局(AGL[0..3],AGL[4..7],AGR[0..3],AGR[4..7])。每个GPIO由模拟开关连接对应AGB。模拟开关总线共享布线资源，连接每个GPIO。•模拟复用总线(AMUXBUS)，分别在左半部(AMUXBUSL)和右半部(AMUXBUSR)。模拟系统内布线资源，连接不同模拟模块。8个abus，4个在左半部(abusl[0:3])，另4个在右半部(abusr[0:3])。abus节约互联模拟模块使用的模拟全局和模拟复用总线。•多路复用器和开关存在于各种总线中引导输入/输出模拟模块的信号。一个多路复用器在一个时间内只能由一个连接，然而开关可以同时有多个连接。模拟布线结构模拟系统布线结构框图第7章PSOC5可编程模拟子系统•第1节可编程模拟系统及其布线结构•第2节模/数转换器(ADC)与数/模转换器(DAC)模块•第3节模拟比较器(CMP)模块•第4节通用运算放大器(GPA)模块•第5节开关电容/连续时间(SC/CT)模块•第6节液晶显示(LCD)直接驱动模块•第7节电容感应(CapSense)模块•第8节精密参考源与温度传感器模块Delta-SigmaADC模块概述•1个采用Delta-Sigma(Δ-Σ)技术实现的高分辨率模数转换器(Analog-to-DigitalConverter-ADC)。集成转换器，由过采样、噪声整形、平均和抽取过程，获取高信噪比(SNR)和高分辨率。有2个主要元件：调制器和抽取器。前者将模拟输入信号转换成高数据率(过采样)、低分辨率(通常1bit)的位流，位流平均输入信号电平获取平均值。此位流由抽取滤波器，获取高分辨率低数据率的数字输出。后者是降采样器和数字低通(平均)滤波器(平均位流得到数字输出)的组合。Delta-SigmaADC模块构成Delta-SigmaADC模块特性•8~20bit分辨率。•可配置的增益范围0.25~128。•差分/单端输入。•可选的带有RC低通滤波器的输入缓冲区。•可选的内部或外部参考源。•低噪声的参考源滤波。•增量/连续模式。•增益和偏置校准。Delta-SigmaADC模块结构•具体结构：输入放大器，3阶Δ-Σ调制器和抽取器。输入放大器提供高输入阻抗和用户可选择的增益。抽取器包含4阶CIC抽取滤波器和后端处理单元。后端处理单元执行可选的增益，偏置和采样滤波器功能。输入缓冲区•调制器输入阻抗很低，对高输入阻抗应用，提供2个缓冲区。缓冲区互相独立，由DSM_BUF0[1]和DSM_BUF1[1]旁路，或由DSM_BUF0[0]和DSM_BUF1[0]断电。缓冲区对输入信号进行放大。配置DSM_BUF1[3:2]寄存器位获取1，2，4和8倍增益。缓冲区有2种独立模式，配置DSM_BUF0[2]位，获取0~(Vdd-0.2V)的输入共模范围。电平移动：接近0V的输入共模电压范围，缓冲区输出从输入电平向上移动。范围为(Vssa-100mV)到(Vdda-100mV)。轨至轨：轨至轨输入使用此模式。操作电压范围(Vssa+100mV)到(Vdda-250mV)。Delta-Sigma调制器•功能采样输入信号(过采样)；粗量化(2,3或9级/1,1.5,2.2bit)；调节Cin1和Cref比率选择增益；过载检测和截断。•构成：3个有源积分器；1个有源求和器；1个可编程量化器；1个开关电容反馈DAC；Δ-Σ调制器时钟与参考源选项•模拟时钟或UDB产生时钟，均可用于输入采样时钟。也能禁止时钟输入。调制器的最大时钟为6.144MHz。确认到抽取器的时钟为fs/n，n=2,3,4,…，fs是PHUB时钟。•可选模拟参考源输入选项(REFBUF0)。Δ-Σ调制器ADC的参考源选择：内部参考源(片上产生)(缓冲未滤波)。内部参考源(缓冲)使用在P0[3]/P3[2]与地间的外部电容滤波。外部参考源驱动到ADC参考源。Delta-SigmaADC操作模式•Δ-ΣADC模式：单采样多采样连续多采样(Turbo)•写控制寄存器启动位或发送起始转换信号(StartofConversion-SoC)，启动ADC转换器。转换结束设置状态位，且转换结束信号(EndofConversion-EoC)高有效，直到CPU或DMA读取转换值为止。Delta-SigmaADC操作模式•单采样触发器触发单采样。待机ADC等待SoC信号有效。SoC有效，执行1次采样转换，并捕获结果。轮询控制寄存器或配置外部EoC信号中断或调用DMA请求检测EoC。传输完成ADC待机直到下1个SoC事件。•连续采样多此连续采样输入信号。无法实现多输出复用。在第1个转换结果可用前，有3个转换延迟。对基本抽取器的时间要求。第1个结果后，连续以给定采样率的转换结果可用。Delta-SigmaADC操作模式•多采样直接切换多信号输入，此模式有用。各采样间，重新填充抽取器，前采样不影响现转换。完成采样，自动初始化下1个采样。使用固件轮询、中断和DMA传输转换结果。•多采样(Turbo)17-20位分辨率，仅在转换结束时复位ADC。性能约比多采样快4倍。SARADC模块概述•2个逐次逼近寄存器(SuccessiveApproximationRegister-SAR)模数转换器(SARADC[0:1])，中分辨率和高数据率的应用。输入来自模拟全局，本地和复用总线，输出从寄存器读取，或送到UDB，进一步处理。•特点12位分辨率；单端，差分输入；轨至轨输入(0~Vdda)；700KSPS采样率；单次或连续运行模式；SARADC模块原理•输入选择使用差分输入，输入与模拟布线结构连接。正端连接模拟全局、模拟本地总线或Vssa。负端连接模拟全局、模拟本地、模拟复用总线，参考电压或Vssa。输入选择多路复用器实现输入选择，由模拟接口SAR布线寄存器或UDB控制。配置SARx_CSR[14]位，由UDB输入正端；清除该位由寄存器输入正端。配置SARx_CSR[13]位，由UDB输入负端；清除该位由寄存器输入负端。SARADC模块原理•时钟选择任一模拟时钟或UDB时钟。配置SARx_CLK[2:0]选择时钟。配置门控位SARx_CLK[3]使能/禁止时钟。•输入采样配置SARx_CSR2[5:0]，编程(1~64)个周期的输入采样时间。新采样时钟开始时，可保留前DAC值，或清除。•参考源选择内/部参考源。内部参考源：Vdda/2，1.024V，1V，2V或DAC输出电压。配置SAR_CSR1[7:5]寄存器选择参考源。设置SAR_CSR3[6]选择Vdda/2参考源。SARADC模块原理•配置2种操作模式：单捕获或连续模式。单捕获模式触发器触发模数转换。连续模式连续模数转换。软/硬件触发。软件触发器(SARx_CSR0[0])，硬件触发器(UDB)。配置SARx_CSR0[2]选择软件和UDB触发器。SoF高时连续转换，SoF低时停止转换。配置SoF位(电平/边沿SoF)实现单次或连续捕获。电平模式确认SoF为高，执行转换。电平模式连续转换。边沿模式在边沿时执行转换，转换结束该位自动为低。重新确认下1个边沿高执行下1个转换，用于单采样。硬件使能SoF配置边沿模式，同步转换到PWM频率。SARADC模块原理•输出内容帧结束位(EOF)；SARx1[0]寄存器位内，转换完成时EOF为高。用户配置分辨率的输出位；配置SARx_CSR2[7:6]寄存器位最高为12位。可选的EOF中断EOF输出产生到CPU或DMA的中断。设置SAR_CSR1[1]使能中断。设置/清除SARx_CSR1[2]寄存器位，配置边沿/电平中断。数模转换器(DAC)模块概述•4个数模转换器(DAC[0:3])：8位，配置电压/电流输出。支持Capsense，电源管理和波形生成等。DAC模块特点与原理•特点255级可调步长电压/电流输出；可编程台阶(取决于范围)；源(Source)/吸收(Sink)电流输出；25%增益校正的8位标定；转换率：8Msps(电流模式)，1Mbps(电压模式)；单调性•DAC电流模式(IDAC)设置寄存器DACx_CR0[4]，配置DAC输出电流(0-32)mA，(0-256)mA和(0-2.048)mA。IDAC设置寄存器DACx_CR1[2]，配置源电流/吸收电流模式。使用UDB输入控制源/吸收电流模式。设置DACx_CR1[3]位使能UDB输入。DAC模块原理•DAC电压模式(VDAC)设置寄存器DACx_CR0[4]配置DAC输出，电流通过电阻连接，设置寄存器DACx_CR0[3:2]，配置电压输出范围(0-1.024)V或(0-4.096)V。任何连接DAC输出的负载应为纯电容性(VDAC输出未缓冲)。最高转换率1Mbps@1V模式。4V模式比1V模式的转换速度要慢，到Vssa电阻负载比1V负载大4倍。4V模式的最高转换速度为250kbps。DAC模块标定•8个标定位消除DAC增益误差。cal[7:0]默认输出10000000。比默认值低降低增益；反之增加。由DACx_TR寄存器完成标定，标定最小分辨率0.5LSB，即标定修正25%的增益误差。•采样标定过程：固定输入(255)，Cal(128)，捕获DAC输出(dac_vout/dac_iout)；确定LSB的增益误差；使用正确标定码，捕获DAC输出(dac_vout/dac_iout)。第7章PSO