賽普拉斯PSoC4芯片揭秘：玩轉(zhuǎn)SAR ADC模塊

　　PSoC4 SAR ADC模塊

　　與前幾代PSoC相比，PSoC4增強(qiáng)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(shí)現(xiàn)多路輸入信號的轉(zhuǎn)換。為了減少通道切換對CPU運(yùn)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(shí)例（a）~（c）分別實(shí)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(shí)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(shí)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(dāng)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(rèn)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(dú)立運(yùn)行。因而，對于多通道采樣，當(dāng)前輸入通道進(jìn)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(jìn)入信號獲取階段之前，輸入信號已經(jīng)達(dá)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

　　圖 3中還有兩個重要的脈沖信號：SDONE和EOC。SDONE用來指示信號獲取階段已完成，PSoC4 SAR的內(nèi)部多路器就是由該信號觸發(fā)通道切換；EOC用來指示一次完整的多通道采樣已完成，因此在圖3中當(dāng)最后一個通道轉(zhuǎn)換結(jié)束，該脈沖信號輸出。EOC 信號可以觸發(fā)一個中斷，用來讀取SAR的采樣數(shù)據(jù)，也可以用于觸發(fā)芯片內(nèi)的其他資源。PSoC4 SAR為每一個通道都提供了一個16位的結(jié)果寄存器，可以在一次多通道采樣結(jié)束后，一次性讀取數(shù)據(jù)以減少中斷程序?qū)PU時間的占用。圖4給出了兩個實(shí)例的波形，均使用1Msps采樣率，一個是8通道輸入，一個4通道輸入。注意到圖3中兩個SDONE信號的間隔是一個完成的采樣周期，在圖4的例子中應(yīng)為1 微秒，與波形測量值（period）一致。

　　圖4：SDONE和EOC示意圖 - 8路輸入和4路輸入，1Msps采樣率

　　PSoC4 SAR A