使用智能模擬模塊進(jìn)行設計

　　片上系統(SoC)中的電路集成推動(dòng)了當今的嵌入式系統設計，人們希望將復雜而靈活(可編程且可配置的)的模擬、數字和處理引擎整合到一個(gè)芯片上。這個(gè)趨勢使得SOC和MCU集成了各種復雜和高級的模擬功能。這些靈活的模擬電路不僅能讓我們在設計時(shí)配置各個(gè)模塊，而且還能在系統運行時(shí)動(dòng)態(tài)地重新配置模塊功能本身。此類(lèi)多用途模擬功能可通過(guò)使用通用開(kāi)關(guān)電容(SC)網(wǎng)絡(luò )和現代SoC及MCU內置的一些模擬邏輯實(shí)現。本文將闡述我們如何使用SC網(wǎng)絡(luò )實(shí)現各種模擬功能，以及它們在現實(shí)應用中的實(shí)際用途。除此之外，本文還將闡述SC模擬模塊的原理和應用它的功能包括△Σ調-制、混頻器、濾波器、積分器、加法器、減法器、DAC、可編程增益放大器、比較器、采樣保持器等等。

　　智能模擬

　　模擬電路生態(tài)系統需要電阻器、電容以及運算放大器、緩沖器、比較器、基本模擬邏輯等其它模擬模塊。由于在集成電路上制造電容更加簡(jiǎn)便劃算，從而衍生了使用開(kāi)關(guān)電容模擬電阻器的技術(shù)。這些開(kāi)關(guān)電容以開(kāi)關(guān)的精確定時(shí)控制電容之間的電荷轉移(參見(jiàn)圖1)。內置時(shí)鐘/定時(shí)控制使得模擬功能發(fā)生實(shí)時(shí)變化。這些模塊有時(shí)被稱(chēng)為通用模擬模塊(UAB)。

　　圖1: 通用模擬模塊(UAB)

　　UAB由兩個(gè)完全對稱(chēng)的半電路構成，可配置為一個(gè)偽差分或兩個(gè)單端功能。 每個(gè)半電路配有用于自主操作的控制邏輯。 圖2顯示了簡(jiǎn)化的UAB圖。 UAB具有高度靈活的轉換和連續路由架構，可以實(shí)現模擬濾波器等復雜的模擬功能。

　　圖2：簡(jiǎn)化的UAB

　　電荷轉移原理

　　電荷轉移指的是電壓節點(diǎn)之間的電荷受控移動(dòng)。圖3 顯示了電阻器和開(kāi)關(guān)電容中的電荷轉移。

　　圖3：簡(jiǎn)化的UAB

　　在電阻器中，電流(i)由電阻(R)兩端的電位差形成。電流從一個(gè)電壓電位(V) 通過(guò)電阻R流向地電位。遵從以下等式:

　　i = V / R

　　在開(kāi)關(guān)電容中，電流 (i)是由高電位節點(diǎn)對電容(C)充電并向低電位節點(diǎn)放電形成的。當Φ1開(kāi)關(guān)閉合且Φ2 s開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，電容C滿(mǎn)電。所存儲的電荷為：q=CV

　　當Φ1開(kāi)關(guān)打開(kāi)且Φ2開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，所存儲的所有電荷移動(dòng)到接地節點(diǎn)，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內移動(dòng)一定量的電荷。如果開(kāi)關(guān)的控制頻率為fs，則電荷量也以該頻率移動(dòng)。電荷的重復移動(dòng)產(chǎn)生電流，遵從以下等式：

　　i = q/t = fsq = fsCV

　　與電阻器不同，開(kāi)關(guān)電容中的電流不是連續移動(dòng)的。通過(guò)對比以上兩個(gè)電流等式，我們會(huì )發(fā)現，如果它們有相同的壓降電流比，其就等效于電阻器。因此，我們可以使用并聯(lián)開(kāi)關(guān)電容串聯(lián)電阻器。

　　V/i = R = 1/fsC

　　等效電阻與開(kāi)關(guān)頻率和電容成反比。通過(guò)改變開(kāi)關(guān)頻率可以容易地改變電阻器的相對值。較高的C值意味著(zhù)較大的電流和較小的等效電阻。與此類(lèi)似，較高的開(kāi)關(guān)頻率 (fs) 意味著(zhù)較大的電流和較小的等效電阻。 Φ1和 Φ2開(kāi)關(guān)必需滿(mǎn)足時(shí)序要求才能產(chǎn)生上述結果，其中包括：

　　1) 不要同時(shí)關(guān)閉兩個(gè)開(kāi)關(guān);

　　2) 在關(guān)閉某個(gè)開(kāi)關(guān)之前，先打開(kāi)另一個(gè)開(kāi)關(guān);

　　3) 選擇最大的開(kāi)關(guān)頻率，以便讓C在周期內得到完全充放電。

　　這種開(kāi)關(guān)電容與運算放大器和比較器一起形成UAB。 這樣開(kāi)發(fā)者就能夠整合多種模擬功能。 本文就解釋了一個(gè)這樣的模擬特性-VDAC。

　　VDAC Implementation VDAC的實(shí)現：

　　VDAC是數模轉換器電路，它將數字輸入轉換為一個(gè)等效模擬電壓。VDAC位于眾多控制系統的核心，決定了系統的性能和精度。VDAC輸出電壓的精度最終取決于其參考電壓。VDAC有很多應用，例如可編程電壓發(fā)生器，提供傳感器偏置和補償電壓、比較器參考電壓或動(dòng)態(tài)輸出波形。

　　VDAC電路的UAB開(kāi)關(guān)電容拓撲如圖3所示。由于開(kāi)關(guān)電容模塊的離散時(shí)間屬性，開(kāi)關(guān)電容會(huì )對數據進(jìn)行采樣和緩沖以獲得連續輸出。 該模塊支持在MCU的工作和睡眠模式下工作。

　　這個(gè)拓撲結構為VDAC功能帶來(lái)了靈活性。動(dòng)態(tài)Vout范圍由一端的Vref值和另一端的Vagnd值決定。這可以讓用戶(hù)通過(guò)外部電路提供Vref和Vagnd來(lái)設置動(dòng)態(tài)Vout范圍。此外，增益設置可將輸出范圍選為Vagnd+ Vref、Vagnd+ 2Vref或Vagnd+ 4Vref，從而保證Vssa和Vdda之間的全范圍可行。此VDAC帶有一個(gè)13位的輸入端，其輸入范圍由- 4096到+4095。 這些值可以直接寫(xiě)入相應的寄存器以生效。

　　圖3：基于開(kāi)關(guān)電容拓撲結構的VDAC

　　模擬協(xié)處理器中的VDAC還支持乘法模式，在該模式下， VDAC輸出電壓乘以模擬輸入信號，形成一個(gè)乘積輸出。乘法DAC(MDAC)是固定參考應用的理想模塊，在此類(lèi)應用中，用戶(hù)希望從固定直流電壓生成波形。此外，這些MDAC還適合那些用戶(hù)希望數字化轉換AC或任意參考電壓的各類(lèi)參考應用。

　　VDAC IDE 配置：

　　盡管MCU提供極高的靈活性和可編程性，開(kāi)發(fā)人員還是擔心為了適應他們的應用設計，還需要諸多的配置寄存器和調整模塊工作。PSoC Creator工具支持模擬協(xié)處理器，可讓用戶(hù)方便地配置這些功能。PSoC Creator是一個(gè)免費的基于Windows的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)，能夠實(shí)現并行硬件和固件設計系統。該工具的設計環(huán)境類(lèi)似于樂(lè )高積木，用戶(hù)可以通過(guò)雙擊組件將它們放置在電路圖上，并配置它們的功能。圖4顯示了PSoC Creator中的VDAC組件配置工具，這些工具可以縮短設計周期。

　　圖四：PSoC Creator中的VDAC組件配置工具