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

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。

比特位 sps SNR （ dB ）

20 180 110

16 48k 90

12 192k 70

Δ-ΣADC 模块

图 △ -∑ 的内部功能原理

Δ-ΣADC 模块

图 ADC△-∑ 原理结构

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。

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。

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。


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。


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。


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。


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。


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。


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。


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 ）。


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。

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

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


下表给出了 DAC 寄存器组。表 DAC 寄存器组

寄存器名字功能特点通用寄存器

DACx_CR0 DAC 控制寄存器 0 选择模式，范围和速度DACx_CR1 DAC 控制寄存器 1 控制 UDB ，方向和复位DACx_SW0 DAC 全局布线寄存器 0 DAC 电压输出布线DACx_SW1 DAC 本地总线布线寄存器 1 DAC 电压输出布线DACx_SW2 DAC 复用开关布线寄存器 2 DAC 电流 / 电压输出布线DACx_SW3 DAC 全局布线寄存器 3 DAC 电流输出布线

DACx_STROBE DAC 选通寄存器控制选通 DAC

DACx_D DAC 数据寄存器DACx_TR DAC 标定寄存器修正 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。


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）。


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。


图 DAC 互联结构


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)

。


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


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。

图使用两个 8 位 DAC 实现 12 位 DAC 的例子

LCDLCD显示显示 ADCADC测量值的实现测量值的实现该设计实现使用该设计实现使用 Δ-ΣADCΔ-ΣADC 测量板子上电位器的电测量板子上电位器的电压，并使用压，并使用 PSoCPSoC 开发板上的字符开发板上的字符 LCDLCD 显示结果。显示结果。 ADCADC 使用内部的使用内部的 3MHz3MHz 时钟驱动，采样率为时钟驱动，采样率为10,000SPS10,000SPS 。将电位器的电压连接到。将电位器的电压连接到 ADCADC 的输入。程序的输入。程序

读读出出 ADCADC 的结果，并在的结果，并在 LCDLCD 上显示出来。上显示出来。该工程使用如下元件：该工程使用如下元件：

Delta Sigma ADC (Delta Sigma ADC (Component Catalog->Analog->ADC-Component Catalog->Analog->ADC->Delta Sigma ADC>Delta Sigma ADC))

Character LCD (Character LCD (Component Catalog->Display->Character Component Catalog->Display->Character LCDLCD))

Analog Port (Analog Port (Component Catalog->System->Analog PinComponent Catalog->System->Analog Pin))

LCDLCD显示显示 ADCADC测量值的实现测量值的实现---- 创建和配置工程创建和配置工程

11 ．打开软件．打开软件 PSoC CreatorPSoC Creator ，在软件的，在软件的 Start PageStart Page界界

面下，点击面下，点击 Create New Project…Create New Project… 创建一个新的工程。创建一个新的工程。 22 ．在．在 New ProjectNew Project 窗口，根据目标器件窗口，根据目标器件 PSoC3/5PSoC3/5 ，，选择选择 Empty PSoC3/5 DesignEmpty PSoC3/5 Design 模板，并将工程命名模板，并将工程命名Ex2_ADC_to_LCDEx2_ADC_to_LCD “。选择工程保存路径，点击“。选择工程保存路径，点击 OKOK””

按按钮；钮；

LCDLCD显示显示 ADCADC测量值的实现测量值的实现---- 创建和配置工程（创建和配置工程（添加并配置添加并配置 Δ-ΣADCΔ-ΣADC ））

下面给出添加并配置下面给出添加并配置 Δ-ΣADCΔ-ΣADC 的步骤，主要步骤的步骤，主要步骤包括：包括： 11 ．拖动．拖动 Delta Sigma ADCDelta Sigma ADC 器件并将其放置于原理图器件并将其放置于原理图内内 (Component Catalog->Analog->ADC ->Delta Sigma (Component Catalog->Analog->ADC ->Delta Sigma

ADC)ADC) 。。 22 ．双击原理图内的．双击原理图内的 ADC_DelSig_1ADC_DelSig_1 器件打开配置窗器件打开配置窗口。图口。图 14.7 ADC14.7 ADC 配置界面配置界面 33 ．如图．如图 14.714.7 ，按如下方式，在，按如下方式，在 ConfigureConfigure标签内进行标签内进行配置：配置：


图 14.7 ADC 配置界面


NameName: ADC_DelSig_1: ADC_DelSig_1 Conversion ModeConversion Mode: 2-Continuous: 2-Continuous ResolutionResolution: 8: 8 Conversion RateConversion Rate: 10000: 10000 Input ModeInput Mode ：： SingleSingle Input RangeInput Range: Vssa to Vdda: Vssa to Vdda Input Buffer GainInput Buffer Gain: 1: 1 Buffer ModeBuffer Mode ：： Rail to RailRail to Rail 。。


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。

LCDLCD显示显示 ADCADC测量值的实现测量值的实现---- 创建和配置工程（添加并配置模拟端口）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，主要步骤下面给出添加并配置模拟端口的步骤，主要步骤包括：包括： 11 ．拖动模拟端口器件并将其放置于原理图内．拖动模拟端口器件并将其放置于原理图内((Component Catalog->Ports and Pins->Analog PinComponent Catalog->Ports and Pins->Analog Pin)) 。。 22 ．双击原理图内的．双击原理图内的 Pin_1Pin_1 元件打开配置窗口；元件打开配置窗口； 33 ．如图．如图 114.84.8 ，在，在 TypeType 标签下按如下方式进行配标签下按如下方式进行配

置：置：


图 14.8 Type标签下的配置界面


Name:Name: POT POT 。。只选择只选择 AnalogAnalog 。。其余选项均为默认值。其余选项均为默认值。如图如图 114.94.9 ，在，在 GeneralGeneral 标签下，进行如下设置标签下，进行如下设置 Drive Mode:Drive Mode: High Impedance Analog High Impedance Analog 。。其余选项均为默认值其余选项均为默认值


图 14.9 General标签配置界面

LCDLCD显示显示 ADCADC测量值的实现测量值的实现---- 创建和配置工程（添加并配置创建和配置工程（添加并配置 LCDLCD ））

下面给出添加并配置下面给出添加并配置 LCDLCD 的步骤，主要步骤包括：的步骤，主要步骤包括： 11 ．拖动字符．拖动字符 LCDLCD 器件并将其放置于原理图内器件并将其放置于原理图内((Component Catalog->Display->Character LCDComponent Catalog->Display->Character LCD)) 。。 22 ．双击原理图内的．双击原理图内的 LCD_Char_1LCD_Char_1 器件打开配置窗口。器件打开配置窗口。 33 ．如图．如图 14.1014.10 所示，在所示，在 GeneralGeneral 标签下按如下方式进标签下按如下方式进

行行配置：配置：

NameName: LCD_Char_1 : LCD_Char_1 LCD Custom Character SetLCD Custom Character Set: None: None Include ASCII to Number Conversion Routines:Include ASCII to Number Conversion Routines: 选中选中其余选项均为默认值其余选项均为默认值

LCDLCD显示显示 ADCADC测量值的实现测量值的实现---- 创建和配置工程（添加并配置创建和配置工程（添加并配置 LCDLCD ））

图 14.10 LCD配置界面

LCDLCD显示显示 ADCADC测量值的实现测量值的实现---- 创建和配置工程（连接元器件）创建和配置工程（连接元器件）

如图如图 114.104.10 所示，为连接元器件完成后的原理图。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

LCDLCD显示显示 ADCADC测量值的实现测量值的实现---- 创建和配置工程（配置引脚）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：下面给出配置引脚的步骤，主要步骤包括： 11 ．在．在 Workspace ExplorerWorkspace Explorer 窗口双击文件窗口双击文件Ex2_ADC_to_LCD.cydwrEx2_ADC_to_LCD.cydwr 。。 22 ．点击．点击 PinsPins 选项。选项。 33 ．如图．如图 114.124.12 所示，为所示，为 LCD_Char_1LCD_Char_1 选择管脚选择管脚

P2[6:0]P2[6:0] 。。 44 ．为．为 POTPOT 管脚选择管脚选择 P0[7]P0[7] 。。

图 14.12 引脚分配界面

LCDLCD显示显示 ADCADC测量值的实现测量值的实现---- 创建和配置工程（创建函数文件）创建和配置工程（创建函数文件）

详见书上的程序详见书上的程序

LCDLCD显示显示 ADCADC测量值的实现测量值的实现---- 编程及调试编程及调试

下面给出对下面给出对 CypressCypress 提供的提供的 CY8CKIT-030CY8CKIT-030 开发套件进行开发套件进行编程的步骤，其步骤主要包含：编程的步骤，其步骤主要包含： 11 ．断开开发板的电源。．断开开发板的电源。 22 ．将．将 P0[7]P0[7] 与与 VRVR 连接连接 33 ．对开发板重新供电。．对开发板重新供电。 44 ．按照前面一个工程所述方法进行编程。．按照前面一个工程所述方法进行编程。 55 ．编完程序之后，通过．编完程序之后，通过 resetreset键重启开发板，调整可变键重启开发板，调整可变电位器的旋钮来改变电压的值，观察电位器的旋钮来改变电压的值，观察 LCDLCD 上所显示相对的上所显示相对的数字值。数字值。 66 ．保存并关闭工程。．保存并关闭工程。

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。

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；

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：


图 14.13 IDAC 配置界面


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

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

创建和配置工程-- 添加并配置字符 LCD

图 14.14 字符 LCD 配置界面

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

创建和配置工程-- 添加并配置模拟引脚

图 9.22 模拟引脚配置界面

创建和配置工程-- 连接器件

下面给出连接器件的步骤，主要步骤包括： 1 ．使用连线工具将器件进行连接，将 Pin_1 和

IDAC的输出连接。 2 ．完成连接后，如图 14.16 所示：

图 14.16 系统连接结构

创建和配置工程-- 配置引脚

如图 14.17 所示，给出配置管脚的步骤，主要步骤包括：

1 ．从 Workspace Explorer窗口，双击IDAC.cydwr 。

2 ．为 LCD_Char_1 和 Pin_1 分配引脚。

图 14.17 引脚分配界面

创建和配置工程-- 编写软件程序

下面给出了 main.c 主程序的源代码，并对代码进行了分析： void main() { LCD_Char_1_Start(); /* 启动 LCD */ LCD_Char_1_ClearDisplay(); /* 清除 LCD显示

*/ IDAC8_1_Start(); /* 启动 IDAC */ IDAC8_1_SetRange(IDAC8_1_RANGE_255uA); /* 设置

IDAC范围 255¦ÌA */ IDAC8_1_SetValue(100); /* 设置 IDAC 的值

为 100 */ LCD_Char_1_Position(0,0); /* 移动光标到 0 行

， 0 列 */ LCD_Char_1_PrintString(" IDAC8 DEMO"); /* LCD 上打印信息 */

创建和配置工程-- 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 ．分别将下列管脚进行连接：

P0[6] 外接一个电阻，测量电流经过电阻转换后的电压

3 ．使用前述方法进行编程。 4 ．编程结束之后，通过开发板上的 Reset按钮，可以看到 IDAC 的输出到 LCD屏上。 5 ．保存并关闭工程。

第 14 章 adc 和 dac 模块

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