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第 14 章 ADC 和 DAC 模块

第 14 章 ADC 和 DAC 模块. 何宾 2011.12. 本章内容. 本章主要是介绍 PSoC3 内的 Δ-Σ ADC 模块和 DAC 模 块，这两个模块和前一章所介绍的模拟前端一起构成一个 高可靠的、强大功能的模数和数模混合系统，这两个模块 也是 PSoC3 中最重要的两个功能部件。 通过本章内容的学习，不仅能了解和掌握 ADC 和 DAC 模块的工作原理，还能掌握使用 PSoC3 实现一个模数和数 模混合系统的方法。. Δ-ΣADC 模块. PSoC3 包含一个 Δ-Σ ADC 。这个 ADC 提供了差分

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第 14 章 ADC 和 DAC 模块

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  1. 第14章 ADC和DAC模块 何宾 2011.12

  2. 本章内容 本章主要是介绍PSoC3内的Δ-Σ ADC模块和DAC模 块，这两个模块和前一章所介绍的模拟前端一起构成一个 高可靠的、强大功能的模数和数模混合系统，这两个模块 也是PSoC3中最重要的两个功能部件。 通过本章内容的学习，不仅能了解和掌握ADC和DAC 模块的工作原理，还能掌握使用PSoC3实现一个模数和数 模混合系统的方法。

  3. Δ-ΣADC模块 PSoC3包含一个Δ-Σ ADC。这个ADC提供了差分 输入，高分辨率和良好的线性度，该ADC可用于声音信号 处理和测量方面的应用。下表给出了不同ADC分辨率下的 采样速度和SNR值。

  4. Δ-ΣADC模块 图 △-∑的内部功能原理

  5. Δ-ΣADC模块 图 ADC△-∑原理结构

  6. Δ-ΣADC模块 从前面的图可以看出，输入缓冲区（Input Buffer） 连接到内部和外部总线输入复用开关上。来自输入复用 开关上的信号直接或者通过缓冲区传递到Δ-Σ调制器。 Δ-Σ执行真正的模拟-数字的转换。 调制器过采样输入，产生串行的比特流输出。 高速数据流对大多数应用是没有意义的，所以在后 级加入抽取器。 抽取器将高速的串行数据流转换成并行的ADC结 果。抽取器控制分辨率和采样率；输出是最后四个采样 的函数。当输入多路复用开关被切换，输出的前三个采 样就不是有效的，直到开关切换后的第四个采样才是有 效的。

  7. Δ-ΣADC模块 在PSoC中的ADC模块的具体结构包括： • 输入放大器；提供高输入阻抗和用户可选择的增益。 • 3阶Δ-Σ调制器 • 抽取器抽取器包含一个4阶的CIC抽取滤波器和后端处理单元。 后端处理单元执行可选的增益，偏置和采样滤波器功 能。

  8. Δ-ΣADC模块--操作模式 设置者可以配置ADC，使其工作在下面的四种模式 之一： • 单采样； • 快速滤波器； • 连续/快速平均。 通过往控制寄存器写启动位或者发送开始转换信号 （Start Of Conversion，SOC），来启动ADC转换器。 当转换结束后，设置一个状态位，并且转换结束信 号（End of Conversion, EOC）为高电平，这个信号一直 保持到CPU或DMA读取转换值为止。

  9. Δ-ΣADC模块--操作模式 1．单采样 在触发器作用下，执行单次采样。在这种模式下， ADC在待机模式下等待SOC信号有效。当SOC有效， ADC执行一次采样转换，并捕获结果。为了检测EOC， 系统可以轮询一个控制寄存器或者配置外部的EOC信号 来产生一个中断或者调用DMA请求。 当传输完成后，ADC进入待机状态。直到下一个 SOC事件。

  10. Δ-ΣADC模块--操作模式 2．连续采样 在连续模式下，通道复位，然后连续运行直到停 止。当输入信号不需要切换，并且需要多个采样值时， 就可以采用这种模式。

  11. Δ-ΣADC模块--操作模式 3．快速滤波器 快速滤波器模式连续的捕获数据，在每个采样间，通 道复位。一个采样结束，另一个采样立即开始，使用轮 询，中断或DMA来传输结果。当输入在多个通道间进行 切换，并且在每个采样间需要一个滤波器进行复位时，就 可以采用这种模式。

  12. Δ-ΣADC模块--操作模式 4．快速FIR（平均） 这种模式和快速滤波器类似，但在两个转换间不复位 调制器。当要求抽取率因子大于128时，可以使用。这种 模式使用后续的处理器sinc1滤波器执行额外的抽取，以得 到大于16位的分辨率。

  13. Δ-ΣADC模块--操作模式 SOC信号用于启动ADC。一个数字时钟或者UDB的 输出能用于驱动这个输入信号。此外，采样周期必须大 于转换周期。在系统中，如果需要ADC和其他硬件同 步，则需要使用SOC信号。这个信号是可选的，如果 ADC运行在连续模式下，则不需要这个信号。 当每次转换完后，EOC信号为高。这个信号可用于 触发一个中断或者DMA请求。

  14. Δ-ΣADC模块--操作模式 Δ-Σ ADC的分辨率限制在8-20位。分辨率越高，采 样率越低。当修改分辨率时，时钟会相应的改变来保证一 个合理的采样率。 Δ-Σ ADC有固有的不稳定性，导致其在操作范围的 上限和下限会产生非线性。为了避免产生这种现象，输入 在调制器的前端被衰减10%。后端处理器使用1.11倍的增 益来补偿这种衰减。最终的结果比要求的范围扩大了 10%。比如： 如果选择输入范围±1.024V，实际的输入范围是 ±1.126V。有用的输入保持在±1.024V，但是除非输入超 过±1.126V ，否则ADC不会饱和。

  15. Δ-ΣADC模块--操作模式 从ADC的数字数出也会超过范围10%，如果ADC配置 为10位操作，通常一个10位的差分的ADC输出范围-512到 511，对应-1.024到+1.022。 由于这个额外的10%的范围，数字输出直到计数 ±563前不会饱和（而不是-512到511）。

  16. Δ-ΣADC模块--操作模式 除非分辨率设为8位或16位时，一般不需要关心的问 题。当分辨率设置为8位时，必须要注意不能使计数值从 其最大的正值/负值卷回到所对应的一个负值或者负值。 防止产生这个问题使用API函数，使得返回一个比设定分 辨率大的一个值。比如： 1）分辨率设为16位，其最大的正值和负值会超过 32767~-32768的范围，所以使用ADC_GetResult32()函数， 而不是使用ADC_GetResult16()函数。 2）对分辨率为8时，其最大的正值和负值会超过127~- 128，所以使用ADC_GetResult16()函数。

  17. 数/模转换器DAC模块 • PSoC提供了4个数-模转换器DAC。每个DAC为8位， 能配置成电压或电流输出。DAC支持Capsense，电源管理 和波形生成等。下图给出了DAC的模块图。 图 DAC模块内部结构

  18. 数/模转换器DAC模块 • 其特点主要包括： • 可调255级步长的电压或电流输出； • 可编程的台阶大小（取决于范围）； • 8位标定用于校正25%的增益误差； • 电流输出模式下，源（source）和吸收(sink)选项； • 电流模式下，8Msps的转换率；电压模式下，1Mbps的转换率。 • 单调性

  19. 数/模转换器DAC模块 • 下表给出了DAC寄存器组 。 表 DAC寄存器组

  20. 数/模转换器DAC模块 • 通过设置寄存器DACx_CR0[4]，使DAC工作在电流 模式下，输出电流范围为0-32uA,0-256uA和0-2.048mA。 IDAC能通过配置寄存器DACx_CR1[2]，将转换器配 置为源电流（即从输出端向外电路流出的负载电流）和 吸收电流（外电路流入输出端的负载电流）模式。 此外，也可以使用UDB输入来控制源和吸收模式。 通过使用DACx_CR1[3]位来使能使用UDB输入。

  21. 数/模转换器DAC模块 • 通过设置寄存器DACx_CR0[4]，使DAC工作在电 压模式下，DAC输出电流通过电阻连接，输出电压的 范围通过设置寄存器DACx_CR0[3:2]，将其电压输出范 围设置为0-1.024V或者0-4.096V。 在电压模式下，任何连接到DAC输出端的负载应 该是纯容性的（VDAC的输出不被缓冲）。

  22. 数/模转换器DAC模块 • 在电压模式下，转换率最高为1Mbps。此外，在 4V模式下比1V模式转换速度要慢，这是由于到Vssa的电 阻负载比1V的负载大4倍。在4V模式下，最高转换速度 为250kbps。 下图给出了DAC的输出选项，通过两个独立的复用 开关得到。这些复用开关通过DAC_SWx寄存器来控 制。

  23. 图 DAC互联结构 数/模转换器DAC模块

  24. 数/模转换器DAC模块 • DAC中可用8个标定位来消除DAC的增益误差。 cal[7:0]的默认输出是[10000000]。比默认值低将降低增益； 反之增加。使用DACx_TR寄存器完成标定，标定的最小 分辨率是 LSB的0.5，即表示有可以通过标定来修正25%的 增益误差。 采样标定过程如下： • 1）固定输入码=255，Cal码=128，捕获DAC的输出(dac_vout/dac_iout)； • 2）确定LSB的增益误差； • 3）使用正确的标定码，捕获DAC的输出(dac_vout/dac_iout)。

  25. 数/模转换器DAC模块 • 通过将两个电流DAC的输出求和，可以实现更高分 辨率的电流输出，如图所示，每一个有不同的输入部 分。 图 高分辨率DAC结构

  26. 图使用两个8位DAC实现12位DAC的例子 数/模转换器DAC模块 • 如下图所示，可以使用两个8位的DAC实现12位的 DAC分辨率。 • 1）一个DAC范围是0-2.048mA，第二个范围0-32uA。 • 2）最低范围DAC的中间4位被输入作为较低4位。

  27. LCD显示ADC测量值的实现 该设计实现使用Δ-ΣADC测量板子上电位器的电 压，并使用PSoC开发板上的字符LCD显示结果。 ADC使用内部的3MHz时钟驱动，采样率为 10,000SPS。将电位器的电压连接到ADC的输入。程序读 出ADC的结果，并在LCD上显示出来。 该工程使用如下元件： Delta Sigma ADC (Component Catalog->Analog->ADC->Delta Sigma ADC) Character LCD (Component Catalog->Display->Character LCD) Analog Port (Component Catalog->System->Analog Pin)

  28. LCD显示ADC测量值的实现--创建和配置工程 1．打开软件PSoC Creator，在软件的Start Page界 面下，点击Create New Project…创建一个新的工程。 2．在New Project窗口，根据目标器件PSoC3/5， 选择Empty PSoC3/5 Design模板，并将工程命名 Ex2_ADC_to_LCD。选择工程保存路径，点击“OK”按 钮；

  29. LCD显示ADC测量值的实现--创建和配置工程（添加并配置Δ-ΣADC）LCD显示ADC测量值的实现--创建和配置工程（添加并配置Δ-ΣADC） 下面给出添加并配置Δ-ΣADC的步骤，主要步骤 包括： 1．拖动Delta Sigma ADC器件并将其放置于原理图 内(Component Catalog->Analog->ADC ->Delta Sigma ADC)。 2．双击原理图内的ADC_DelSig_1器件打开配置窗 口。图14.7 ADC配置界面 3．如图14.7，按如下方式，在Configure标签内进行 配置：

  30. LCD显示ADC测量值的实现--创建和配置工程（添加并配置Δ-ΣADC）LCD显示ADC测量值的实现--创建和配置工程（添加并配置Δ-ΣADC） 图14.7 ADC配置界面

  31. LCD显示ADC测量值的实现--创建和配置工程（添加并配置Δ-ΣADC）LCD显示ADC测量值的实现--创建和配置工程（添加并配置Δ-ΣADC） Name: ADC_DelSig_1 Conversion Mode: 2-Continuous Resolution: 8 Conversion Rate: 10000 Input Mode：Single Input Range: Vssa to Vdda Input Buffer Gain: 1 Buffer Mode：Rail to Rail。

  32. LCD显示ADC测量值的实现--创建和配置工程（添加并配置Δ-ΣADC）LCD显示ADC测量值的实现--创建和配置工程（添加并配置Δ-ΣADC） 在Common标签下，按下面参数设置： • 不选中Hardware SOC[Start of Conversion](表示使用软件来启动ADC工作) • Clock Source：Internal； • 不选中Enable_Vref_Vssa; 4．点击“OK”关闭ADC属性设置界面。

  33. LCD显示ADC测量值的实现--创建和配置工程（添加并配置模拟端口）LCD显示ADC测量值的实现--创建和配置工程（添加并配置模拟端口） 下面给出添加并配置模拟端口的步骤，主要步骤 包括： 1．拖动模拟端口器件并将其放置于原理图内 (Component Catalog->Ports and Pins->Analog Pin)。 2．双击原理图内的Pin_1元件打开配置窗口； 3．如图14.8，在Type标签下按如下方式进行配 置：

  34. LCD显示ADC测量值的实现--创建和配置工程（添加并配置模拟端口）LCD显示ADC测量值的实现--创建和配置工程（添加并配置模拟端口） 图14.8 Type标签下的配置界面

  35. LCD显示ADC测量值的实现--创建和配置工程（添加并配置模拟端口）LCD显示ADC测量值的实现--创建和配置工程（添加并配置模拟端口） Name: POT。 只选择Analog。 其余选项均为默认值。 如图14.9，在General标签下，进行如下设置 Drive Mode: High Impedance Analog。 其余选项均为默认值

  36. LCD显示ADC测量值的实现--创建和配置工程（添加并配置模拟端口）LCD显示ADC测量值的实现--创建和配置工程（添加并配置模拟端口） 图14.9 General标签配置界面

  37. LCD显示ADC测量值的实现--创建和配置工程（添加并配置LCD）LCD显示ADC测量值的实现--创建和配置工程（添加并配置LCD） 下面给出添加并配置LCD的步骤，主要步骤包括： 1．拖动字符LCD器件并将其放置于原理图内 (Component Catalog->Display->Character LCD)。 2．双击原理图内的LCD_Char_1器件打开配置窗口。 3．如图14.10所示，在General标签下按如下方式进行 配置： Name: LCD_Char_1 LCD Custom Character Set: None Include ASCII to Number Conversion Routines:选中 其余选项均为默认值

  38. LCD显示ADC测量值的实现--创建和配置工程（添加并配置LCD）LCD显示ADC测量值的实现--创建和配置工程（添加并配置LCD） 图14.10 LCD配置界面

  39. LCD显示ADC测量值的实现--创建和配置工程（连接元器件）LCD显示ADC测量值的实现--创建和配置工程（连接元器件） 如图14.10所示，为连接元器件完成后的原理图。 图14.10 连接完成后的原理图

  40. LCD显示ADC测量值的实现--创建和配置工程（ 配置引脚） 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 Ex2_ADC_to_LCD.cydwr。 2．点击Pins选项。 3．如图14.12所示，为LCD_Char_1选择管脚P2[6:0]。 4．为POT管脚选择P0[7]。 图14.12 引脚分配界面

  41. LCD显示ADC测量值的实现--创建和配置工程（创建函数文件）LCD显示ADC测量值的实现--创建和配置工程（创建函数文件） 详见书上的程序

  42. LCD显示ADC测量值的实现--编程及调试 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P0[7]与VR连接 3．对开发板重新供电。 4．按照前面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，调整可变 电位器的旋钮来改变电压的值，观察LCD上所显示相对的 数字值。 6．保存并关闭工程。

  43. IDAC值显示的实现 该设计给出了IDAC8电流源工作模式，其输出范围在 255uA。在字符型LCD上显示电流值，通过外部设备检测 IDAC的输出。

  44. IDAC值显示的实现--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IDAC。选择工程保存路径，点 击“OK”按钮；

  45. 创建和配置工程--添加并配置IDAC 下面给出添加并配置DAC的步骤，主要步骤包括： 1．拖动电流DAC器件并将其放置于原理图内 (Component Catalog->Analog->DAC->Current DAC)。 2．双击原理图内的IDAC8_1器件打开配置窗口。图 14.13 IDAC配置界面 3．如图14.13所示，在Configure标签内按如下方式 进行配置：

  46. 图14.13 IDAC配置界面 创建和配置工程--添加并配置IDAC

  47. 创建和配置工程--添加并配置IDAC • Name: IDAC8_1 • Polarity: Positive(Source)(极性) • Data Source: CPU or DMA(Data Bus)(数据源) • Range：0-255uA（电流源范围） • Speed：High Speed（电流源的工作速度） • Value参数设置： • %Range：100 • uA：255 • 8 bit Hex：FF • Strobe Mode：Register（触发模式） • 其余选项均为默认值

  48. 创建和配置工程--添加并配置字符LCD 下面给出添加并配置LCD的步骤，主要步骤包括： 1．拖动字符LCD并将其放置于原理图内(Component Catalog->Display->Character LCD)。 2．双击原理图内的LCD_Char_1器件打开配置窗口。 3．如图14.14所示，在General标签内按如下方式进行 配置： • Name：LCD_Char_1； • LCD Custom Character Set：None • 选中Include ASCII to Number

  49. 图14.14 字符LCD配置界面 创建和配置工程--添加并配置字符LCD

  50. 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．拖动模拟端口器件并将其放置于原理图内 (Component Catalog->Ports and Pins->Analog Pin)。 2．双击原理图内的Pin_1器件打开配置窗口。 3．如图14.15所示，按如下方式进行配置： Type标签下，参数如下配置： • Name: Pin_1 • Number of Pins: 1 • Analog：只选中该选项 • 其余选项均为默认值

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