PIC16C78系列混合信號嵌入式芯片的原理和應(yīng)用

在對嵌入式系統(tǒng)的體積、耗電、集成度等指標(biāo)要求越來越高的今天，僅僅有帶AD變換電路的MCU已經(jīng)越來越難以處理外圍的其他模擬電路。據(jù)此，相繼有一些MCU制造商推出了混合了模擬電路的MCU，為設(shè)計者提供了新的選擇。微芯（Microchip）公司的PIC16C78X系列即為其中的一種8位MCU，該電路集成了通用運算放大器、8位DAC變換器、8位ADC變換器、可編程開關(guān)模式控制器（PSMC）、比較器和精密參考電壓于20腳的芯片內(nèi)。同時具有用戶可編程的低電壓檢測、內(nèi)部振蕩器、節(jié)電睡眠模式和在線編程的功能。

集成了上述模擬電路的混合式芯片具有廣泛的應(yīng)用，特別適合需要作閉環(huán)控制的場合。例如在電源開關(guān)控制系統(tǒng)的設(shè)計中，PSMC可以作開關(guān)的切換控制，DAC作電壓指示，ADC、運放和比較器則用作系統(tǒng)監(jiān)測和穩(wěn)定性和動態(tài)特性的控制。

本文對PIC16C78系列電路的內(nèi)部模擬電路資源和所用的指令等做一介紹，同時給出典型的應(yīng)用實例。

1PIC16C78系列芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

PIC16C78 系列芯片有781和782兩種。兩者均有128 b的用戶RAM，最高可在20 MHz振蕩頻率下工作，有16個I/O口，4 MHz內(nèi)部振蕩器，1個16位定時器和1個8位定時器/看門狗定時器。所不同的是16C781有1024×14位的OTP程序存儲器，而16C782有 2048×14位。圖1為781和782的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳定義，兩者均有PDIP，SOIC和SSOP等多種封裝形式，并有OTP和MTP編程芯片供選擇。

1.1MicroController — 微控制器

他是一個8位的控制器。除了有通常PIC系列單片機所有的功能外，他還具有RESET和監(jiān)視功能。RESET又包括主復(fù)位和掉電復(fù)位。其中主復(fù)位又包括內(nèi)部和外部（RA5）復(fù)位；掉電復(fù)位有4個電壓設(shè)置點。監(jiān)視功能包括看門狗定時器和EPROM代碼保護。

1.2Votage Refference — 參考電壓 (VR)

在25 ℃，5 V條件下，他可以精確到3.072 V±0.7%，內(nèi)部連接到ADC和DAC。也可在引腳RB0輸出(具有5 mV拉電流/灌電流能力)。

1.3ADC — 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

ADC具有8位分辨率，8個外部輸入通道(AN7:0)，2個內(nèi)部輸入通道(來自VR和數(shù)模輸出電壓VDAC)，參考電壓可以來自片腳AVDD，V，VR或VDAC。轉(zhuǎn)換完成后自動觸發(fā)中斷服務(wù)。本模塊即使在SLEEP模式下也可實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。

1.4OSCILLATOR — 振蕩器

可以使用標(biāo)準(zhǔn)的LP，XT，HS和RC振蕩器，其中內(nèi)部INTRC振蕩器可以選擇4 MHz或37 kHz兩種頻率中的一種。

1.5PAMP — 運算放大器

此模塊的漏電流輸入僅為50 nA，有3 MHz和30 kHz兩種增益帶寬乘積供選擇，偏置電壓校準(zhǔn)有兩種模式VOS200 μV或選擇到DAC調(diào)節(jié)輸出電壓。他還可以選擇為比較器模式。

1.6COMPARATOR — 比較器

PIC16C78X中集成了2個模擬比較器C1和C2，具有四通道輸入選擇、低輸入偏置電壓和2個速度設(shè)置屬性。C1的參考源可選擇為VDAC和VREF1(RA3)，C2可選為 VDAC和VＲＥＦ2(RA2)。比較器具有單極性和雙極性兩種可編程輸出極性，輸出到寄存器。可以對比較器單獨進行中斷設(shè)置，其中C2輸出可同步到TIMER1時鐘。

1.7PSMC — 可編程開關(guān)模式控制器

PSMC具有PWM（脈沖寬度調(diào)制）和PSM（脈沖間隔調(diào)制）兩種脈沖模式（可編程的開關(guān)頻率325～250 kHz）供選擇。在PWM模式下，模擬反饋決定脈沖寬度。在PSM模式下，可以提供模擬反饋門控脈沖；脈沖頻率是可編程的；輸出可以選擇單輸出或互補雙輸出，也可選斜率補償輸出。

1.8DAC — 數(shù)模轉(zhuǎn)換器

DAC具有8位分辨率，其輸出可以通過編程在內(nèi)部連接到比較器和ADC。當(dāng)選擇外部輸出時VDAC在RB1輸出（1 mA輸出/吸收能力），他的參考源可以來自AVDD，VREF1或VR，轉(zhuǎn)換時間為10 μs，轉(zhuǎn)換誤差（INL/DNL）小于1/2LSB。

除了上述內(nèi)部資源，本系列芯片內(nèi)還包括標(biāo)準(zhǔn)的TIMER0，增強的TIMER1模塊，可編程低電壓檢測。標(biāo)準(zhǔn)的TIMER0可讀寫8位定時器/計數(shù)器，可選8位預(yù)分頻（和WDT共享），在RA4上的可選外部時鐘輸入，可以進行定時器溢出中斷。增強的TIMER1模塊帶4位預(yù)分頻的16位定時器/計數(shù)器，可選擇同步和異步時鐘模式，外部時鐘輸入在RA6上的T1CK1，外部時鐘控制，在RB7上的T1G，當(dāng)CPU在INTRC模式下可選CPU LP振蕩器，可設(shè)定定時器溢出中斷。可編程低電壓檢測具有11個電壓等級(2.5～4.5 V)，可使用中斷或查詢方式得到電壓等級值。

2PIC16C78X的應(yīng)用

2.1指令、仿真和編程下載

和其他PIC的MCU一樣，該系列芯片采用精簡指令系統(tǒng)RISC，共使用35條單字指令。除了程序分支需要兩個周期外，其余的指令均為單周期，每條指令的執(zhí)行時間最快可達200 ns。

該系列單片機可以用MPLAB編程和仿真。MPLAB是廉價的PIC系列單片機開發(fā)工具。開發(fā)環(huán)境可以用MPLAB(r)IDE，仿真系統(tǒng)可以用 MPLAB(r)ICD2000，他的程序生成器可以用MPLAB(r)C18，在線調(diào)試器可以用MPLAB(r)ICD，可以用 PICSTART(r)PLUS燒寫器來燒寫這種系列的芯片。這種芯片還有一種更方便的編譯軟件PICDEM(r)MSC1圖形化用戶接口（GUI），可以對各周邊功能模塊進行自動設(shè)定，無需編寫程序代碼即可驗證用戶電路，還可以生成匯編頭文件，有助于用戶代碼的開發(fā)。要提醒用戶注意的是一些推出較早的 PIC仿真器和編程器并不支持本系列芯片。本系列芯片具有在線下載和離線下載功能。

2.2在DC/DC中的應(yīng)用例

DC/DC的作用是將一個已有的直流電壓轉(zhuǎn)換成設(shè)備需要的其他直流電壓。16C782實現(xiàn)的DC/DC如圖2所示。

PSMC采用了PWM脈沖模式。當(dāng)場效應(yīng)管被打開時，能量被儲存在電感L中。由電感的電氣特性可知，電流將線性上升直到場效應(yīng)管被關(guān)閉。由于電感中的電流不能立即改變，當(dāng)場效應(yīng)管的狀態(tài)切換時，L中的電流繼續(xù)流過二極管并在電容C儲能。

這樣就會使得Vout和Vin具有一定的關(guān)系，此電路最大可達到Vout=2Vin。DAC 模塊提供了比較器的參考電壓源，數(shù)字信號來自微控制器，在參考電壓確定的情況下，R1和R2組成的模擬反饋決定了比較器另一端的輸入電壓，該電壓又決定了 PSMC在PWM方式下的脈沖信號占空比；當(dāng)R1上的電壓和參考電壓相同時，比較器觸發(fā)可編程開關(guān)模式控制器，通過緩沖器控制場效應(yīng)管。微控制器中的定時器TIMER1可提供決定PWM周期的時鐘信號。整個電路形成一個閉環(huán)控制。從圖2可以看出，整個電路使用了很少的外圍器件，而傳統(tǒng)的DC/DC電路設(shè)計則比此電路復(fù)雜得多。

3結(jié)語

PIC16C78系列的芯片非常適合于閉環(huán)控制場合的電路設(shè)計和各種使用通用外圍模擬電路的微控制器系統(tǒng)設(shè)計，利用內(nèi)部的模擬電路資源可以大大簡化設(shè)計。

參考文獻
［1］PIC16C781/782 data sheet［M］. Microchip Technology Inc保 2001
［2］宋家友奔成電子線路設(shè)計手冊［Ｍ］.福建：福建科技出版社，2002