《模拟前端模块》PPT课件.ppt

第13章 模拟前端模块,何宾 2011.12,本章内容,本章主要是介绍PSoC3内的模拟前端模块，这些模拟前端模块包括：模拟比较器、运算放大器模块、可编程SC/CT模块、温度传感器模块和基于这些模拟前端的一些典型模拟单元电路的实现。模拟前端模块为PSoC3提供了强大的模拟可编程能力，也是PSoC3比其它MCU功能更加强大的一个具体的体现。PSoC3的模拟前端模块的使用提高了系统可靠性和系统设计成本。通过本章内容的学习，一方面，了解并掌握模拟前端模块的工作原理；另一方面，能使用模拟前端模块构造一些复杂的模拟调理前端电路。,模拟比较器模块,PSoC提供了最多4个比较器，其特点主要有：输入偏置小于5mV；轨至轨共模输入范围Vssa-Vcca；通过使用快速、慢或超低功耗在速度和功耗之间进行权衡；比较器输出能布线到查找表（Look Up Table，LUT），执行简单的逻辑功能，然后也能布线到数字模块；比较器的正输入可以选择穿过一个低通滤波器；比较器输入能连接到GPIO，DAC输出和SC模块输出；,模拟比较器模块-输入和输出接口,到比较器的正和负输入来自模拟全局总线，模拟复用线，模拟本地总线和高精度的参考源。从比较器的输出能布线到两输入LUT的任何一个，LUT的输出布线到UDB数字系统接口。下图给出了模拟比较器的结构图。,模拟比较器模块-输入和输出接口,图 放大器结构,模拟比较器模块-LUT,PSoC包含4个LUT。LUT有两个输入，一个输出。LUT由比较器驱动。LUT的输出布线到UDB阵列的数字系统接口。从UDB阵列的数字系统接口，这些信号能连接到UDB，DMA控制器，I/O或者中断控制器。LUT控制字写入寄存器，用于设置输出的逻辑功能。下表给出了LUT功能和程序字的输入。,模拟比较器模块-LUT,LUT和程序字,模拟比较器模块-LUT,运算放大器模块,PSoC5包含最多4个通用运算放大器，运算放大器是独立的，使用外部或内部信号能将运算放大器配置成一个增益级或者跟随器。下图给出了运算放大器的内部结构。,图 运算放大器内部结构,图 运算放大器内部结构,运算放大器模块,在任何一种配置中，输入和输出信号能全部连接到内部全局信号，使用ADC或者比较器对其进行监测。通过在信号和GPIO引脚之间切换来实现配置。下图给出了放大器的配置。,运算放大器模块,运算放大器模块,放大器有三个速度模式：慢中快。低速模式消耗最小的静态功耗。快速模式消耗最大的功耗。输入能轨至轨的摆动。输出摆动能轨至轨的运行在低电流输出，在50mV的轨迹内。当驱动高电流负载（大约25mA），输出电压能得到500mV内的轨迹。,可编程SC/CT模块,PSoC5包含四个开关电容/连续时间（SC/CT）模块。下图给出了SC/CT模块的结构图。每个开关电容/连续时间模块建立一个带有开关、电容和电阻阵列的轨至轨的放大器。,可编程SC/CT模块,SC/CT模块结构,可编程SC/CT模块,开关电容是一种电路设计技术，使用电容脉冲开关（而不使用电阻）创建一个模拟功能。这些电路通过在电容之间打开和关闭不同的开关，搬移电荷（charge）来运行。非重叠相位的时钟信号控制开关，所以不会同时打开所有的开关。,可编程SC/CT模块,PSoC Creator软件工具提供了图形化接口，允许直接对SC/CT模块进行编程。开关控制和时钟相位控制配置由软件工具完成。用户只需要应用程序确定使用的参数，比如：增益，放大器极性，Vref的连接等。,可编程SC/CT模块,相同的放大器和模块接口也是可连接到电阻阵列，可以允许建立不同的连续时间功能。放大器和电阻网络可编程用于执行不同的功能，其中包括：纯粹的运算放大器-连续模式；单位增益缓冲区-连续模式；可编程增益放大器（Programmable Gain Amplifier，PGA）-连续模式；互阻放大器（Transimpedance Amplifier，TIA）（也称为电流-电压转换器）-连续模式；上/下混频器-连续模式；采样和保持混频器(NRZ S/H)-开关电容模式；一阶模拟-数字调制器-开关电容模式；,可编程SC/CT模块,SC/CT模块的操作模式通过在SC0.3_CR1寄存器的MODE2:0位来设置。,SC/CT操作模式,可编程SC/CT模块-单纯的放大器,纯粹的放大器有输入和输出用于连接到内部或外部信号，所有其它的电阻和电容不与放大器连接。这个放大器共有两级，轨至轨的折叠级联的第一级和A类第二级。单位增益的带宽大于6MHz，输出驱动电流最大为650uA。这对于缓冲内部的信号（比如DAC输出）是足够的，驱动的外部负载大于7.5k。,纯粹放大器的配置,可编程SC/CT模块-单纯的放大器,SC/CT模块驱动控制设置,为了提供不同的负载条件，补偿电容和输出级驱动能力是可编程的。来自信号摆率和时间所要求的最小的抖动率及负载电容决定了应用。这些是稳定性最基本的考虑。,可编程SC/CT模块-单纯的放大器,其中：Cload包括放大器输出节点的电容和外部容性负载。来自模拟总线布线的标称为10pF的电容用于内部负载。如下表，根据SC0.3_CR1:0寄存器位的输出抖动率要求，设置SC_DRIVE1:0驱动控制。,可编程SC/CT模块-单纯的放大器,这个模块有三个控制选项用于修改闭环带宽和稳定性：通过放大器第一级的电流（BIAS_CONTROL），运放输入和输出之间密勒电容（SC_COMP1:0），输出和负输入端之间的反馈电容（SC_REDC1:0），,可编程SC/CT模块-单纯的放大器,1BIAS_CONTROL 该选项将通过放大器级的电流加倍（设置SC0.3_CR20寄存器位）。连续模式下的AC开环稳定性分析表明，即这个选项设置为1，然后使用电容选项控制带宽/稳定性，一旦电路稳定后，比在第一级设置小电流将获得更大的整体带宽。,可编程SC/CT模块-单纯的放大器,2SC_COMP1:0 设置放大器内的补偿电容。该设置直接影响放大器的带宽增益。下表给出了放大器的输入和输出之间的密勒电容的选择。,密勒电容的选择,可编程SC/CT模块-单纯的放大器,3SC_REDC1:0 输出和负反馈直接的反馈电容的选择用于控制稳定性。取决于连续时间配置，这个选项通常可以产生更高的频率零点和更低的频率极点，这样就可以降低整体的带宽，增加了单位增益频率上的相位裕度。,可编程SC/CT模块-单纯的放大器,如下表所示，这个电容通过SC0.3_CR3:2寄存器位来设置值。,CFB的设置,可编程SC/CT模块-单纯的放大器,如下表，给出了每种模式下的推荐的稳定性设置。对于TIA模式，模拟全局负载的模型是：在输入10pF电容和150开关电容阻抗，加入额外的40pF电容的输入用来建模输入二极管电容。,可编程SC/CT模块-单纯的放大器,推荐的稳定性设置,可编程SC/CT模块-单位增益,如下图，单位增益缓冲区是一个纯粹的放大器，其输出直接连接到反向输入，增益为1.00。大于6MHz有-3dB带宽。单位增益放大器用于一个内部产生的高输出阻抗的信号，比如电压DAC输出，要求驱动一个负载，或者当一个高阻抗外部源要求驱动一个片上的负载，比如：连续时间混频器。,单位增益放大器,可编程SC/CT模块-可编程增益放大器,PGA放大一个内部或外部的信号。PGA能配置成运行在反相和非反相模式。PGA能配置成正和负增益分别高达50和49，可以通过调整R1和R2来改变增益。下图给出了PGA的结构图。通过切换输入复用器上的共享选择值来改变其同相和反相。,PGA的结构图,可编程SC/CT模块-可编程增益放大器,表给出了增益和带宽的对应关系。PGA应用于输入信号不够大，能达到ADC的分辨率，或者其它SC/CT块动态范围。增益是实时调整，包括改变PGA的增益。,可编程SC/CT模块-可编程增益放大器,PGA能被配置为正向增益或者反向增益的结构，或者差分放大器的一半。下表给出在寄存器SCL0.3_CR1的SC_GAIN5位来确定增益。,表 PGA增益配置,可编程SC/CT模块-可编程增益放大器,可编程SC/CT模块-可编程增益放大器,上图给出了不同增益配置的符号描述。如上图(c)，差分放大器使用两个背对背的放大器连接而成。RLAD是SC模块的外部元件，低阻抗用来减少增益误差。当不使用差分模式时，将RIN连接到模拟或全局布线资源，RLAD有很高的阻抗减少增益误差。差分放大器的输出为：,输出的共模电压包含在输入的共模电压内，表示为：,可编程SC/CT模块-可编程增益放大器,下表给出了PGA稳定性参数设置。,可编程SC/CT模块-可编程增益放大器,可编程SC/CT模块-互阻放大器,互阻放大器（Transimpedance Amplifier,TIA），也称为电流-电压转换器，将电流转换成电压的模块，图给出了互阻放大器的符号图。典型的应用包括用电压测量电路或仪器测量电流，或者建立一个电流控制的电压源。,互阻放大器符号,可编程SC/CT模块-互阻放大器,下表给出了反馈电阻的设置对应关系。,可编程SC/CT模块-互阻放大器,表 给出了反馈电容的设置对应关系,可编程SC/CT模块-互阻放大器,TIA在连续模式下使用内部的反馈电阻将电流转换成电压。放大器的电压输出和输入电流成正比，对于电流输入Iin，输出电压Vout为：其中：为反馈电阻。的范围为20k到1M之间。,可编程SC/CT模块-互阻放大器,互阻放大器的带宽由反馈电阻和与反馈电阻并联的电容确定。-3dB频率带宽表示为：,可编程SC/CT模块-连续时间混频器,下图给出了连续时间混频器的配置。它在正相单位增 益和反向单位增益之间进行切换。最高的切换频率为1MHz。,连续时间混频器的配置,可编程SC/CT模块-连续时间混频器,连续时间模式用于实现上转换，这是由于相对于采样混频器来说，它提供了更高的转换增益。在CT混频器内，FCLK+FIN的信号幅度和FCLK-FIN的信号幅度是一样的，然而在采样模式下，在两个配置间有衰减。下图给出了输入信号为200kHz，载波为255kHz的波形图。,可编程SC/CT模块-连续时间混频器,连续时间混频器的波形,混频器输出频谱包括455kHz和55kHz，N*FCLKFIN（N为奇数）等。上变换通过滤出所希望的输入频率和调制频率混合的谐波来实现。,可编程SC/CT模块-连续时间混频器,对于连续时间的混频器模式包括控制采样函数和在反相增益中设置电阻值完成。,可编程SC/CT模块-连续时间混频器,表给出了CT混频器的采样配置，表给出了CT混频器的输入电阻设置。,可编程SC/CT模块-采样混频器,采样混频本质上是非归零采样和保持电路，其响应速度很快。混频器的输出可以驱动片外的陶瓷滤波器（比如455kHz Murata Cerafil），或者驱动片上的模拟布线连接的内部ADC，为了使ADC正确的采样混频器的输出，用于ADC的混频器的采样时钟是相同的。采样混频器用于向下混频。下变换通过滤出所希望的输入频率和调制频率混合的谐波来实现。,可编程SC/CT模块-采样混频器,下面详细分析离散时间采样混频器原理，图给出了简化结构。,简化结构,可编程SC/CT模块-采样混频器,非归零采样和保持通过切换积分电容实现。C1或者C4总能采样输入信号，而其它被运算放大器积分。Fin信号的采样频率低于Fin信号频率。混频器配置成Fout与在输入时钟上升沿下的新值进行积分。,可编程SC/CT模块-采样混频器,采样时钟频率大于1/2的Fin信号频率，输出是输入和采样频率加上偏置元件的差值。当采样频率低于1/2的Fin信号频率时，输出是输入和采样频率最大整数倍（小于Fin信号频率）的差值。对于给定的输入载波频率Fin，采样时钟频率Fclk，和期望的输出频率Fout，并且规定Fclk小于4MHz，Fin小于14MHz。,可编程SC/CT模块-采样混频器,可编程SC/CT模块-采样混频器,下图给出了N=1时的混频器的输出（Fin=1.36MHz，Fclk=1.28MHz）。下图给出了N=3时的混频器的输出（Fin=13.6MHz，Fclk=3.2MHz）。,图 N=1时的混频器的输出 图 N=3时的混频器的输出,可编程SC/CT模块-采样混频器,对于这种配置的选项是参考源和时钟分频选项。这个选项存在或者使用外部参考源电压或者内部的参考地。如下表所示，这个选项使用SC_GNDVREF SC0.3_CR2信号控制。,可编程SC/CT模块-采样混频器,使用内部的地连接，将引起步长增加和减少的不一 致，这是由于负输入端降到地以下时，放大器响应不一样所引起的。避免这个畸变，使用外部参考源选项，将其设置为500mV或者更多。离散混频器的结果是在输入时钟的上升沿和下降沿，有一个新的保持值时，输出就被改变。如下表所示，SC_DIV控制信号能用来指定在输入时钟上升沿值改变。,表 用于采样和保持的时钟分频选项,可编程SC/CT模块-调制器,SC/CT块能编程作为开关电容积分器，用于在高过采样率下的一阶调制器环路。积分器的输出和参考电平相比较，然后返回到反馈环的输入。在高采样率下控制调制器的输出，因此需要抽取滤波器将信号带宽降到感兴趣的范围内。,离散时间-调制器块图,可编程SC/CT模块-调制器,通过放在积分电容的复位开关，调制器能被用于增量调制器。来自第一级调制器的采样数据的精度由下面几个因素决定：最大输入信号带宽；过采样率；采样时钟的抖动。过采样率时钟最高为4MHz。低于x64的过采样不产生稳定的输出，下表给出了系统仿真给出的期望性能。,可编程SC/CT模块-调制器,系统仿真给出的期望性能,可编程SC/CT模块-调制器,下图给出了开关电容第一级调试器的配置,(a)采样周期,可编程SC/CT模块-调制器,可编程SC/CT模块-跟踪和保持放大器,跟踪和保持放大器模式使用单位增益缓冲区放大器实现。下图给出跟踪和保持模块图。,图 跟踪和保持模块图,可编程SC/CT模块-跟踪和保持放大器,跟踪和保持模式跟踪输入5.5V的1%的步长时间小于1us。来自采样开关的电荷注入误差小于1mV。保持丢失小于0.2mV。下表给出了保持和跟踪的放大器控制。,表 保持和跟踪的放大器控制,温度传感器模块,如图所示，PSoC3提供了片上的温度传感器用于测量内部晶片的温度。温度传感器使用 Vbe的方法来用于数字温度测量.,温度传感器模块,该温度传感器模块的主要特点有：超过-50-+150范围时，5的精度；将温度传感器的输出布线到模拟全局线AGL3。,温度传感器模块,其工作原理就是利用了BJT晶体管的BE级电压对温度（恒定集电极电流和0 Vce电压）敏感的特点实现测温的。Vbe输出的测量使用的两个不同的电流，一个是低偏置电流，另一个是高偏置电流，其比值为1:29。Vbe输出电压的变化和温度是成线性关系的。温度传感器的输出可以送到ADC或者使用AGL3送到片上其它资源。,温度传感器模块,为了提高测量精度，PSoC3使用了下面的技术：1）动态元件匹配技术，循环选择在8个镜像电流源通道；2）曲率补偿技术，提高线性度；3）一个两点线性适配标定程序,温度传感器模块,下表给出了命令寄存器的列表。其命令序列由2字节关键字、命令码和相关的参数组成，其格式如下：关键字节#1-总是0 xB6；关键字节#2-总是0 xD3；命令码字节命令参数字节；命令数据字节；,温度传感器模块,1获得温度命令格式 下图给出了获得温度命令的格式。,numSamp：采样的次数为2numSamp；numSamp的值0，1，2，3，4，5。,温度传感器模块,2设置温度传感器的命令格式 下图给出了设置温度传感器的命令格式。,图13.19 设置温度传感器的命令格式,温度传感器模块,Sequence Select：0选择低偏置电流；1选择高偏置电流；Sequence Freeze：0使能序列器；1禁止序列器；clkDivider：分频因子。ADC时钟频率等于：spcCLK/。（spcCLK为36MHz）。Curvature Compensation Enable:0无补偿；1有补偿。,温度传感器模块,3禁止温度传感器的命令格式 下图给出了禁止温度传感器的命令格式。,图13.20 禁止温度传感器的命令格式,基于混频器的精确整流实现-整流器设计原理,该设计将使用混频器元件失信全波整流。该设计中输入一个正弦波，混频器的工作方式如下：当本地振荡器的输入为低（-1）时，为一个反相放大器；当本地振荡器的输入为高（+1）时，作为一个同相放大器,基于混频器的精确整流实现-整流器设计原理,混频器的本地振荡器输入，接收与输入正弦信号同频的方波信号。在混频器的输出端得到整流波形。表13.19给出了该设计使用的IP核的列表。,基于混频器的精确整流实现-创建和配置工程,1在计算机上的桌面上，选择开始-所有程序-Cypress-PSoC Creator 2.0-PsoC Creator 2.0。打开PSoC Creator软件；2在PSoC Creator 2.0软件的主界面下，选择File-New-Project.；3在New Project窗口，选择Empty PSoC3 Design模板，并将工程命命名为Ex5_Capsense。选择工程保存路径，点击“OK”按钮；,创建和配置工程-添加并配置混频器,下面给出添加并配置混频器主模块的步骤，主要步骤包括：1拖动并且放置混频器模块元件到原理图内(Components Catalog-Analog-Mixer)。2双击理图内的Mixer_1模块，打开配置窗口，如图13.21，Mixer_1模块的参数配置如下：Mixer Type：Muliply(Up)MixerPower：High PowerLO Source：External LOLO Frequency：40kHz其它参数按默认设置。,创建和配置工程-添加并配置混频器,创建和配置工程-添加并配置放大器,下面给出添加并配置放大器模块的步骤，主要步骤包括：1拖动并且放置放大器模块元件到原理图内(Components Catalog-Analog-Amplifiers-Opamp)。2双击理图内的Opamp_1模块，打开配置窗口，如图13.22，Opamp_1模块的参数配置如下：Name：Opamp_BufferMode：Follower（跟随器）Power：High Power（高功耗）其它参数按默认设置。,创建和配置工程-添加并配置放大器,图13.22 放大器配置界面,创建和配置工程-添加并配置比较器,下面给出添加并配置比较器模块的步骤，主要步骤包括：1拖动并且放置比较器模块元件到原理图内(Components Catalog-Analog-Comparator)。2双击理图内的Comp_1模块，打开配置窗口，如图13.23，Comp_1模块的参数配置如下：,创建和配置工程-添加并配置比较器,Name：Comp_ZCD；Hysteresis：Disable；（迟滞：禁止，如果使能，产生到比较器的10ms滞后）Speed：FastPowerDownOverride：Disable；（如果使能，则允许比较起在系统休眠和冬眠时保持活动）Polarity：Non-Inverting；（当正端大于负端输入时，输出为高；否则就是反相的）Sync：Bypass；（如果选择同步，则使用外部时钟同步比较器的输出）,创建和配置工程-添加并配置比较器,图13.23比较器配置界面,创建和配置工程-添加并配置参考源,下面给出添加并配置参考源模块的步骤，主要步骤包括：1拖动并且放置参考源模块到原理图内(Components Catalog-Analog-Vref)。2双击理图内的vRef_1模块，打开配置窗口，如图13.24，vRef_1模块的参数配置如下：Name：vRef_1；VRef Name：Vdda/2,创建和配置工程-添加并配置参考源,图13.24参考源配置界面,创建和配置工程-添加并配置模拟引脚,下面给出添加并配置模拟引脚的步骤，主要步骤包括：1拖动并且放置三个模拟引脚到原理图内(Components Catalog-Ports and Pins-Analog Pin)，三个模拟引脚的默认的名字分别是：Pin_1；Pin_2；Pin_3。2双击原理图内的模拟引脚，打开配置窗口，将三个模拟引脚的名字分别改成：Pin_SineInput(该引脚连接到混频器的Fin引脚)：Pin_Reference(该引脚连接到放大器的输出引脚)；Pin_RectifiedOut(该引脚连接到混频器的输出引脚)；,创建和配置工程-连接元件,下面将使用连线工具 和文本工具，将系统的各个元件按设计方案，通过连线和信号名连接在一起。图13.25给出了连接完成后的系统结构图。,图13.25 连接完成后的系统结构,图13.25 连接完成后的系统结构,创建和配置工程-配置引脚,如图13.26所示，下面给出配置引脚的步骤，主要步骤包括：1在Workspace Explorer窗口双击文件MIXER.cydwr。2点击Pins选项；3为Pin_SineInput选择管脚P02；4为Pin_RectifieOut选择管脚P33；5为Pin_Reference选择引脚P01。,图13.26 引脚配置界面,创建和配置工程-编写软件程序,#include void main()Mixer_Multiplier_Start();/*启动混频器*/Comp_ZCD_Start();/*启动比较器*/Opamp_Buffer_Start();/*启动放大器*/for(;),创建和配置工程-编写软件程序,下面给出对Cypress提供的CY8CKIT-030开发套件进行编程的步骤，其步骤主要包含：1断开开发板的电源。2将信号源给出的正弦信号输入到设计中；3对开发板重新供电。4按照前一个工程所述方法进行编程。5编完程序之后，通过reset键重启开发板，用示波 器观察整流输出的波形。6保存并关闭工程。,