赛普拉斯PSoC4芯片揭秘：玩转SAR ADC模块

　　PSoC4 SAR ADC模块

　　与前几代PSoC相比，PSoC4增强了ADC模块的功能。在结构上，PSoC4采用了可获得较高采样速率的逐次逼近式（Successive Approximation Register，SAR）ADC，能够实现最高1Msps的单通道采样。PSoC4包含一个SAR核心，通过切换采样通道，可以实现多路输入信号的转换。为了减少通道切换对CPU运行时间的占用，PSoC4集成了一个8通道采样输入多路器，提供采样通道硬件切换，从而去掉了通道切换的软件开销。

　　该多路器最多支持8路单端输入，或者4路差分输入，或者同时包含单端输入和差分输入。图2中实例（a）~（c）分别实现了全单端输入，全差分输入，和单端/ 差分混合输入，如果应用所需的输入信号小于SAR的最大允许值，通过设置SAR的配置可以隐藏未使用的输入通道，如实例（d）使用了两个单端输入通道，此时多路器仅自动切换两个通道，忽略未使用的其余六个通道。

　　图2：四个SAR设计实例 - 处理单端输入与差分输入

　　PSoC4 SAR一次完整的单通道采样包含两个阶段：信号获取（Acquisition）和采样转换（Convertion）。在信号获取阶段，SAR获得当前输入通道的信号值，储存在内部的采样保持器中；在采样转换阶段，SAR通过不断改变参考电压值，与采样保持器中的信号值做比较，从而将信号值数字化，得到采样结果。PSoC4 SAR的信号获取时间可以由用户设定，而采样转换时间与采样结果位数相关，以1Msps采样率为例，默认的信号获取时间为222.2纳秒，采样转换时间为 777.8纳秒。

　　PSoC4 SAR将这两个阶段设计成了流水线的结构，两个阶段之间可独立运行。因而，对于多通道采样，当前输入通道进行采样转换时，多路器可以切换至下一路通道，从而提供一个额外时间对电路中的寄生电容充放电，保证SAR在进入信号获取阶段之前，输入信号已经达到稳定。图3是一个3通道采样的工作示意图，从图中可以看出，PSoC4 SAR在具有较高采样速度的同时，仍有充足时间获得稳定的采样信号。

　　图3：3通道SAR采样工作示意图

　　图 3中还有两个重要的脉冲信号：SDONE和EOC。SDONE用来指示信号获取阶段已完成，PSoC4 SAR的内部多路器就是由该信号触发通道切换；EOC用来指示一次完整的多通道采样已完成，因此在图3中当最后一个通道转换结束，该脉冲信号输出。EOC 信号可以触发一个中断，用来读取SAR的采样数据，也可以用于触发芯片内的其他资源。PSoC4 SAR为每一个通道都提供了一个16位的结果寄存器，可以在一次多通道采样结束后，一次性读取数据以减少中断程序对CPU时间的占用。图4给出了两个实例的波形，均使用1Msps采样率，一个是8通道输入，一个4通道输入。注意到图3中两个SDONE信号的间隔是一个完成的采样周期，在图4的例子中应为1 微秒，与波形测量值（period）一致。

　　图4：SDONE和EOC示意图 - 8路输入和4路输入，1Msps采样率

　　PSoC4 SAR A