PIC16C78系列混合信號嵌入式芯片的原理和應用

在對嵌入式系統的體積、耗電、集成度等指標要求越來(lái)越高的今天，僅僅有帶AD變換電路的MCU已經(jīng)越來(lái)越難以處理外圍的其他模擬電路。據此，相繼有一些MCU制造商推出了混合了模擬電路的MCU，為設計者提供了新的選擇。微芯（Microchip）公司的PIC16C78X系列即為其中的一種8位MCU，該電路集成了通用運算放大器、8位DAC變換器、8位ADC變換器、可編程開(kāi)關(guān)模式控制器（PSMC）、比較器和精密參考電壓于20腳的芯片內。同時(shí)具有用戶(hù)可編程的低電壓檢測、內部振蕩器、節電睡眠模式和在線(xiàn)編程的功能。

集成了上述模擬電路的混合式芯片具有廣泛的應用，特別適合需要作閉環(huán)控制的場(chǎng)合。例如在電源開(kāi)關(guān)控制系統的設計中，PSMC可以作開(kāi)關(guān)的切換控制，DAC作電壓指示，ADC、運放和比較器則用作系統監測和穩定性和動(dòng)態(tài)特性的控制。

本文對PIC16C78系列電路的內部模擬電路資源和所用的指令等做一介紹，同時(shí)給出典型的應用實(shí)例。

1PIC16C78系列芯片的內部結構

PIC16C78 系列芯片有781和782兩種。兩者均有128 b的用戶(hù)RAM，最高可在20 MHz振蕩頻率下工作，有16個(gè)I/O口，4 MHz內部振蕩器，1個(gè)16位定時(shí)器和1個(gè)8位定時(shí)器/看門(mén)狗定時(shí)器。所不同的是16C781有1024×14位的OTP程序存儲器，而16C782有 2048×14位。圖1為781和782的內部結構和引腳定義，兩者均有PDIP，SOIC和SSOP等多種封裝形式，并有OTP和MTP編程芯片供選擇。

1.1MicroController — 微控制器

他是一個(gè)8位的控制器。除了有通常PIC系列單片機所有的功能外，他還具有RESET和監視功能。RESET又包括主復位和掉電復位。其中主復位又包括內部和外部（RA5）復位；掉電復位有4個(gè)電壓設置點(diǎn)。監視功能包括看門(mén)狗定時(shí)器和EPROM代碼保護。

1.2Votage Refference — 參考電壓 (VR)

在25 ℃，5 V條件下，他可以精確到3.072 V±0.7%，內部連接到ADC和DAC。也可在引腳RB0輸出(具有5 mV拉電流/灌電流能力)。

1.3ADC — 模數轉換器

ADC具有8位分辨率，8個(gè)外部輸入通道(AN7:0)，2個(gè)內部輸入通道(來(lái)自VR和數模輸出電壓VDAC)，參考電壓可以來(lái)自片腳AVDD，V，VR或VDAC。轉換完成后自動(dòng)觸發(fā)中斷服務(wù)。本模塊即使在SLEEP模式下也可實(shí)現轉換。

1.4OSCILLATOR — 振蕩器

可以使用標準的LP，XT，HS和RC振蕩器，其中內部INTRC振蕩器可以選擇4 MHz或37 kHz兩種頻率中的一種。

1.5PAMP — 運算放大器

此模塊的漏電流輸入僅為50 nA，有3 MHz和30 kHz兩種增益帶寬乘積供選擇，偏置電壓校準有兩種模式VOS200 μV或選擇到DAC調節輸出電壓。他還可以選擇為比較器模式。

1.6COMPARATOR — 比較器

PIC16C78X中集成了2個(gè)模擬比較器C1和C2，具有四通道輸入選擇、低輸入偏置電壓和2個(gè)速度設置屬性。C1的參考源可選擇為VDAC和VREF1(RA3)，C2可選為 VDAC和VＲＥＦ2(RA2)。比較器具有單極性和雙極性?xún)煞N可編程輸出極性，輸出到寄存器?？梢詫Ρ容^器單獨進(jìn)行中斷設置，其中C2輸出可同步到TIMER1時(shí)鐘。

1.7PSMC — 可編程開(kāi)關(guān)模式控制器

PSMC具有PWM（脈沖寬度調制）和PSM（脈沖間隔調制）兩種脈沖模式（可編程的開(kāi)關(guān)頻率325～250 kHz）供選擇。在PWM模式下，模擬反饋決定脈沖寬度。在PSM模式下，可以提供模擬反饋門(mén)控脈沖；脈沖頻率是可編程的；輸出可以選擇單輸出或互補雙輸出，也可選斜率補償輸出。

1.8DAC — 數模轉換器

DAC具有8位分辨率，其輸出可以通過(guò)編程在內部連接到比較器和ADC。當選擇外部輸出時(shí)VDAC在RB1輸出（1 mA輸出/吸收能力），他的參考源可以來(lái)自AVDD，VREF1或VR，轉換時(shí)間為10 μs，轉換誤差（INL/DNL）小于1/2LSB。

除了上述內部資源，本系列芯片內還包括標準的TIMER0，增強的TIMER1模塊，可編程低電壓檢測。標準的TIMER0可讀寫(xiě)8位定時(shí)器/計數器，可選8位預分頻（和WDT共享），在RA4上的可選外部時(shí)鐘輸入，可以進(jìn)行定時(shí)器溢出中斷。增強的TIMER1模塊帶4位預分頻的16位定時(shí)器/計數器，可選擇同步和異步時(shí)鐘模式，外部時(shí)鐘輸入在RA6上的T1CK1，外部時(shí)鐘控制，在RB7上的T1G，當CPU在INTRC模式下可選CPU LP振蕩器，可設定定時(shí)器溢出中斷?？删幊痰碗妷簷z測具有11個(gè)電壓等級(2.5～4.5 V)，可使用中斷或查詢(xún)方式得到電壓等級值。

2PIC16C78X的應用

2.1指令、仿真和編程下載

和其他PIC的MCU一樣，該系列芯片采用精簡(jiǎn)指令系統RISC，共使用35條單字指令。除了程序分支需要兩個(gè)周期外，其余的指令均為單周期，每條指令的執行時(shí)間最快可達200 ns。

該系列單片機可以用MPLAB編程和仿真。MPLAB是廉價(jià)的PIC系列單片機開(kāi)發(fā)工具。開(kāi)發(fā)環(huán)境可以用MPLAB(r)IDE，仿真系統可以用 MPLAB(r)ICD2000，他的程序生成器可以用MPLAB(r)C18，在線(xiàn)調試器可以用MPLAB(r)ICD，可以用 PICSTART(r)PLUS燒寫(xiě)器來(lái)燒寫(xiě)這種系列的芯片。這種芯片還有一種更方便的編譯軟件PICDEM(r)MSC1圖形化用戶(hù)接口（GUI），可以對各周邊功能模塊進(jìn)行自動(dòng)設定，無(wú)需編寫(xiě)程序代碼即可驗證用戶(hù)電路，還可以生成匯編頭文件，有助于用戶(hù)代碼的開(kāi)發(fā)。要提醒用戶(hù)注意的是一些推出較早的 PIC仿真器和編程器并不支持本系列芯片。本系列芯片具有在線(xiàn)下載和離線(xiàn)下載功能。

2.2在DC/DC中的應用例

DC/DC的作用是將一個(gè)已有的直流電壓轉換成設備需要的其他直流電壓。16C782實(shí)現的DC/DC如圖2所示。

PSMC采用了PWM脈沖模式。當場(chǎng)效應管被打開(kāi)時(shí)，能量被儲存在電感L中。由電感的電氣特性可知，電流將線(xiàn)性上升直到場(chǎng)效應管被關(guān)閉。由于電感中的電流不能立即改變，當場(chǎng)效應管的狀態(tài)切換時(shí)，L中的電流繼續流過(guò)二極管并在電容C儲能。

這樣就會(huì )使得Vout和Vin具有一定的關(guān)系，此電路最大可達到Vout=2Vin。DAC 模塊提供了比較器的參考電壓源，數字信號來(lái)自微控制器，在參考電壓確定的情況下，R1和R2組成的模擬反饋決定了比較器另一端的輸入電壓，該電壓又決定了 PSMC在PWM方式下的脈沖信號占空比；當R1上的電壓和參考電壓相同時(shí)，比較器觸發(fā)可編程開(kāi)關(guān)模式控制器，通過(guò)緩沖器控制場(chǎng)效應管。微控制器中的定時(shí)器TIMER1可提供決定PWM周期的時(shí)鐘信號。整個(gè)電路形成一個(gè)閉環(huán)控制。從圖2可以看出，整個(gè)電路使用了很少的外圍器件，而傳統的DC/DC電路設計則比此電路復雜得多。

3結語(yǔ)

PIC16C78系列的芯片非常適合于閉環(huán)控制場(chǎng)合的電路設計和各種使用通用外圍模擬電路的微控制器系統設計，利用內部的模擬電路資源可以大大簡(jiǎn)化設計。

參考文獻
［1］PIC16C781/782 data sheet［M］. Microchip Technology Inc保 2001
［2］宋家友奔成電子線(xiàn)路設計手冊［Ｍ］.福建：福建科技出版社，2002