Cypress在2013年第二季度推出了新一代可編程片上系統PSoC4系列產品，作為PSoC（Programmable System on Chip）芯片家族中的一員，PSoC4保持了Cypress具有特色的片內可編程數字資源和豐富的模擬資源，同時由于采用ARM Cortex-M0作為處理核心，其運算性能也有顯著提高。PSoC4內含許多獨具匠心的功能模塊，逐次逼近式模數轉換器（Successive Approximation Register Analog Digital Convertor，以下簡稱SAR ADC）就是其中之一。本文即以SAR ADC為例，介紹如何使用PSoC4實現產品設計。

　　PSoC4簡介

　　PSoC4現包含CY8C4100和CYCY8C4200兩個產品系列，均采用ARM Cortex-M0作為處理核心。PSoC4具有靈活的可編程和可重新配置的模擬、數字模塊，結合芯片內部靈活的互聯網絡，可以使用一塊芯片實現復雜的混合信號設計。

　　圖1是PSoC4的系統框圖，以下概括了其主要特性，詳細內容可以參考Cypress網站上的PSoC4的數據手冊。

　　● 48MHz ARM Cortex-M0中央處理器，支持單周期乘法

　　● 最大支持32KB閃存（Flash），最大支持4KB SRAM存儲器

　　● 高達36個可靈活配置的通用輸入輸出管腳（GPIO），均可配置為觸摸感應輸入

　　● 兩個可靈活配置驅動能力和帶寬的運算放大器，可以工作在比較器模式，也可做ADC的輸入緩沖器

　　● 一個12-bit 1M采樣率的SAR ADC，支持差分和單端輸入，無軟件開銷的輸入通道切換，硬件實現的采樣結果平均，采樣結果范圍比較

　　● 兩個電流數模轉換器（IDAC），不用于CapSense時可以輸出給內部模塊，或通過GPIO輸出用于其他用途

　　● 兩個內部低功耗比較器，可以在深度睡眠和休眠模式下工作，可以產生喚醒信號中斷睡眠

　　● 一個電容感應（CapSense）模塊，提供極佳的信噪比和防水功能，具有簡單易用的應用設計接口

　　● 四個通用數字模塊（UDB），每個包含兩個微型的可編程邏輯陣列和一個8位數據運算單元。Cypress提供了自定義組件功能，用戶可以根據設計需要，使用Verilog控制UDB實現用戶定制的功能模塊

　　● 2個可靈活配置的串行通訊模塊（SCB），每個均可配置成SPI/UART/I2C，支持基于串口的LIN、IrDA、SmartCard協議

　　● 四個16比特的定時器/計數器/脈沖寬度調制模塊（TCPWM），支持中心對齊、邊沿對齊模式，偽隨機模式，支持靈活的死區控制，PWM可與ADC同步，用戶可自定義在PWM周期內任一時刻觸發ADC轉換），支持同步刷新PWM的占空比

　　圖1：PSoC4芯片系統框圖

　　與 Cypress前一代產品PSoC3/5相同，PSoC4仍然使用PSoC Creator作為集成開發環境。PSoC Creator將硬件資源抽象成了眾多的功能模塊（Component），每個模塊實現一種基本功能，例如PWM模塊，I2C模塊，基本與門，中斷響應模塊，輸入輸出管腳等等。設計者像繪制原理圖一樣，選擇適當模塊，將其輸入輸出與其他模塊連接，然后通過每個模塊提供的圖形化配置向導設置模塊參數，之后編寫適當的軟件代碼，即可實現所需功能。這種模塊化的設計方法令設計者能夠將更多精力集中在實現應用的功能上，而無需關注許多底層硬件配置細節。PSoC Creator的詳細使用手冊可以在Cypress網站上獲得。

　　PSoC4 SAR ADC模塊

　　與前幾代PSoC相比，PSoC4增強了ADC模塊的功能。在結構上，PSoC4采用了可獲得較高采樣速率的逐次逼近式（Successive Approximation Register，SAR）ADC，能夠實現最高1Msps的單通道采樣。PSoC4包含一個SAR核心，通過切換采樣通道，可以實現多路輸入信號的轉換。為了減少通道切換對CPU運行時間的占用，PSoC4集成了一個8通道采樣輸入多路器，提供采樣通道硬件切換，從而去掉了通道切換的軟件開銷。

　　該多路器最多支持8路單端輸入，或者4路差分輸入，或者同時包含單端輸入和差分輸入。圖2中實例（a）~（c）分別實現了全單端輸入，全差分輸入，和單端/ 差分混合輸入，如果應用所需的輸入信號小于SAR的最大允許值，通過設置SAR的配置可以隱藏未使用的輸入通道，如實例（d）使用了兩個單端輸入通道，此時多路器僅自動切換兩個通道，忽略未使用的其余六個通道。

　　圖2：四個SAR設計實例 - 處理單端輸入與差分輸入

　　PSoC4 SAR一次完整的單通道采樣包含兩個階段：信號獲取（Acquisition）和采樣轉換（Convertion）。在信號獲取階段，SAR獲得當前輸入通道的信號值，儲存在內部的采樣保持器中；在采樣轉換階段，SAR通過不斷改變參考電壓值，與采樣保持器中的信號值做比較，從而將信號值數字化，得到采樣結果。PSoC4 SAR的信號獲取時間可以由用戶設定，而采樣轉換時間與采樣結果位數相關，以1Msps采樣率為例，默認的信號獲取時間為222.2納秒，采樣轉換時間為 777.8納秒。

　　PSoC4 SAR將這兩個階段設計成了流水線的結構，兩個階段之間可獨立運行。因而，對于多通道采樣，當前輸入通道進行采樣轉換時，多路器可以切換至下一路通道，從而提供一個額外時間對電路中的寄生電容充放電，保證SAR在進入信號獲取階段之前，輸入信號已經達到穩定。圖3是一個3通道采樣的工作示意圖，從圖中可以看出，PSoC4 SAR在具有較高采樣速度的同時，仍有充足時間獲得穩定的采樣信號。

　　圖3：3通道SAR采樣工作示意圖