赛普拉斯PSoC4芯片揭秘：玩转SAR ADC模块

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 ADC特色功能

　　除了具有AD模块基本功能之外，PSoC4 SAR还包含一些独具特色的功能。

　　灵活的触发信号

　　PSoC4 SAR支持硬件信号触发采样，该信号可以是通过GPIO输入的外部信号，也可以是内部模块产生的信号。由于PSoC4具有灵活的可配置结构和丰富的内部资源，因此内部信号触发SAR在设计中极为实用，例如，比较器的输出触发SAR在特定信号点采样，定时器计数器溢出信号触发SAR在特定时间点采样，或者外部信号输入后经过PSoC4通用数字模块（UDB）处理，针对特定输入信号触发SAR采样。

　　图5提供了一个设计实例，该例子中定时器（Timer）的计数器溢出信号触发了SAR ADC的采样，图6是该设计工作时的波形。此设计可以在指定的时间点对输入通道采样，定时器计数值的重新装载由硬件实现，采样通道切换由SAR的多路器硬件实现，全过程仅在采样数据读取时需要软件参与，从而节省大量的CPU运行时间。

　　图5：设计实例：使用定时器的计数器溢出触发SAR ADC

　　图6：硬件触发信号工作波形

　　采样值范围比较

　　PSoC4 SAR提供了硬件级别的采样值范围比较。通过设定一个最大值，一个最小值，SAR可以对每一个通道的采样值进行快速的范围比较，一旦发现采样结果超出了给定数值范围，一个范围越界的中断会立即产生，从而触发SAR的中断服务程序。如图7所示，范围比较模式有四种选项，采样值小于最小值，采样值大于最大值，采样值在二者之间，和采样值在二者之外。结合每个通道的中断屏蔽寄存器，可以针对选定的通道实现快速范围比较。

　　图7：SAR配置 - 采样值范围比较

　　独立的通道配置寄存器

　　PSoC4 SAR为每一个输入通道提供了一组独立的配置寄存器，可以使得通道属性存在不同，如图8所示的3通道采样，第一个通道采用差分输入，结果存为12位，信号获取时间增加1微秒（单独设置的A clks），并且对采样结果进行范围比较；其余两个通道为单端输入，结果存为8位（可选分辨率ALT），使用默认信号获取时间，无需对采样结果进行范围比较。这种独立的通道配置寄存器能够更好的满足实际应用中多变的需求，减少工程师对于琐碎控制逻辑的关注，从而实现产品的核心功能。

　　图8：SAR配置 – 不同通道配置的多通道采样

　　硬件采样平均

　　PSoC4 SAR可以对每一个采样通道都进行指定次数的硬件采样结果平均。例如，若设定一个通道的采样平均次数为8，则SAR会连续对该通道采样8次，采样结果累加后进行算术平均，计算结果最后存入采样结果寄存器。

　　小结

　　上述实例介绍了PSoC4 SAR的基本功能。作为MCU中最常见的功能模块，PSoC4 SAR除了具有一般MCU的常见性能之外，还提供了一些独具特色的实用功能。实际上，结合PSoC4灵活的内部结构和丰富的资源，用户使用PSoC4 SAR可以轻松设计出优秀产品以满足复杂的应用需求。