PSoC設計指南系列

前言

作為全球知名的半導體公司，美國Cypress公司率先在業(yè)界實現(xiàn)了完全意義上的PSoC解決方案，即在單芯片上實現(xiàn)了MCU、數(shù)字和模擬系統(tǒng)的高度集成。由于將模擬和數(shù)字系統(tǒng)集成在單個芯片內(nèi)，使得設計更加靈活方便，同時大大節(jié)省了設計成本，減少了設計開銷，順應了電子技術(shù)未來發(fā)展的潮流。   PSoC內(nèi)集成了大量的模擬和數(shù)字設計模塊。模擬模塊主要包括開關(guān)電容 連續(xù)時間SC CT模塊、模擬比較器、通用運算放大器、LCD直接驅(qū)動、電容感應觸摸、溫度傳感、數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器DAC、高精度參考源、模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC等。數(shù)字模塊主要包括通用數(shù)字塊UDB、CAN總線、USB總線、定時器和計數(shù)器、I2C總線、數(shù)字濾波器DFB等。如果設計者能熟練靈活地使用這些模塊，將使得所設計的系統(tǒng)能滿足絕大多數(shù)的低端和中端應用要求。   本書全面系統(tǒng)地介紹了Cypress公司的PSoC3可編程片上系統(tǒng)的基本模擬模塊和數(shù)字模塊的應用。在介紹模擬電路和數(shù)字電路設計部分時，使用Cypress公司最新的PSoC Creator 2.0軟件進行設計。本書主要針對國內(nèi)模擬電子技術(shù)和數(shù)字電路教學的要求，通過PSoC的通用平臺，以滿足不同專業(yè)和不同層次學生的要求，使他們能在這個充滿創(chuàng)意的平臺上，不僅掌握基本的模擬和數(shù)字電路的理論和實現(xiàn)方法，而且加強系統(tǒng)級的設計能力。   為了讓讀者更好地掌握相關(guān)內(nèi)容，本書給出了大量的設計實例，這些設計實例使用了PSoC內(nèi)基本的模擬資源和數(shù)字邏輯資源。通過這些例子的學習，一方面幫助讀者理解并掌握模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的理論知識，另一方面提高讀者使用理論知識解決實際問題的能力。值得一提的是，由于PSoC Creator 2.0軟件采用的是原理圖設計的方法，讀者在學習這些例子的過程中，也可以系統(tǒng)地學習繪制電路原理圖的方法，這些方法適用于絕大多數(shù)的電路圖繪制軟件。為了便于讀者的自學，隨書配送光盤，光盤中包含本書所有的設計實例。本書不僅可以作為大學模擬電子技術(shù)和數(shù)字電路相關(guān)課程的教學用書，也可以作為從事相關(guān)領域教學和科研工作者的參考用書。   在講授和學習本書內(nèi)容時，可以根據(jù)教學時數(shù)和內(nèi)容的側(cè)重點不同，適當?shù)貙⑾嚓P(guān)章節(jié)的內(nèi)容進行調(diào)整和刪減。   本書參考了Cypress公司最新的研究成果、設計文檔等資料。本書主要由何賓編著，王綱領負責模擬部分例子的編寫，彭渤負責數(shù)字部分例子的編寫，北京交通大學電子信息工程學院的研究生楊光偉負責本書所有設計例子的驗證，Cypress公司中國區(qū)大學計劃經(jīng)理魏榮博士，為我們提供了有關(guān)數(shù)據(jù)、技術(shù)參考資料和PSoC3硬件開發(fā)平臺資源，Cypress公司的技術(shù)工程師為本書編寫過程中遇到的問題進行了耐心地解答，在此表示感謝。特向Cypress公司表示衷心的感謝。   由于編者水平有限，編寫時間倉促，書中難免有疏漏之處，敬請讀者批評指正。 編著者

內(nèi)容概要

　　《PSoC設計指南系列：PSoC模擬與數(shù)字電路設計指南》包含基于PSoC的模擬電路設計和數(shù)字電路設計兩大部分內(nèi)容?；赑SoC的模擬電路設計部分介紹了簡單運算放大器應用、同相放大器的設計及實現(xiàn)、反相放大器的設計及實現(xiàn)、儀表放大器的設計及實現(xiàn)、積分器和微分器的設計及實現(xiàn)、一階有源濾波器的設計及實現(xiàn)、二階有源濾波器的設計及實現(xiàn)、基于非線性元件的電路設計及實現(xiàn)和波形發(fā)生器設計及實現(xiàn)?；赑SoC的數(shù)字電路設計部分介紹了SIO特性測試及其應用、邏輯表達式及最小化實現(xiàn)、編碼器和譯碼器的設計及實現(xiàn)、碼轉(zhuǎn)換器的設計及實現(xiàn)、多路復用器的設計及實現(xiàn)、多位數(shù)字比較器的設計及實現(xiàn)、算術(shù)邏輯單元的設計及實現(xiàn)、鎖存器和觸發(fā)器的設計及實現(xiàn)、寄存器的設計及實現(xiàn)、有限自動狀態(tài)機的設計及實現(xiàn)、計數(shù)器的設計及實現(xiàn)、基于查找表的數(shù)字系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)、多諧振蕩器的設計及實現(xiàn)和復雜數(shù)字系統(tǒng)的高層次描述及實現(xiàn)?！　　禤SoC設計指南系列：PSoC模擬與數(shù)字電路設計指南》的編寫基于CVpress公司的可編程片上系統(tǒng)PSoC平臺，充分考慮了國內(nèi)大學模擬電子技術(shù)和數(shù)字電路及相關(guān)課程教學的要求，通過PSoC這一高度集成的數(shù)字和模擬混合設計平臺，實現(xiàn)模擬和數(shù)字混合電路設計。　　為便于自學和實踐，本書給出了大量的模擬和數(shù)字電路設計實例，使讀者能通過這一平臺的使用掌握模擬電路和數(shù)字電路的基本理論和實現(xiàn)方法。附贈光盤包含源程序和課件?！　”緯勺鳛榇髮W本科和高職學生進行模擬電子技術(shù)和數(shù)字電路教學的實驗教材，也可作為相關(guān)設計人員設計模擬和數(shù)字電路的參考用書，同時也可作為CYpress公司相關(guān)內(nèi)容的培訓教材。

書籍目錄

上篇   模擬電路設計部分 1   簡單運算放大器的應用   3 1.1  PSoC芯片內(nèi)通用放大器工作原理 3 1.2  電壓跟隨器的設計與實現(xiàn) 4 1.2.1  電壓跟隨器電路的硬件設計 4 1.2.2  添加軟件控制代碼 7 1.2.3  引腳分配 9 1.2.4  設計下載與測試 9 思考題 9 2   同相放大器的設計及實現(xiàn)   10 2.1  同相模擬增益放大器的設計及實現(xiàn) 10 2.1.1  同相模擬增益放大器的原理 10 2.1.2  同相模擬增益放大器電路的設計 11 2.1.3  添加軟件控制代碼 12 2.1.4  引腳分配 12 2.1.5  設計下載與測試 13 2.2  同相程控增益放大器的設計及實現(xiàn) 13 2.2.1  同相程控增益放大器的原理 13 2.2.2  同相程控增益放大器電路的設計 14 2.2.3  添加軟件控制代碼 15 2.2.4  引腳分配 15 2.2.5  設計下載與測試 15 思考題 16 3   反相放大器的設計及實現(xiàn)   17 3.1  反相模擬增益放大器的設計及實現(xiàn) 17 3.1.1  反相模擬增益放大器的原理 17 3.1.2  反相模擬增益放大器電路的設計 18 3.1.3  添加軟件控制代碼 19 3.1.4  引腳分配 19 3.1.5  設計下載與測試 20 3.2  反相程控增益放大器的設計及實現(xiàn) 20 3.2.1  反相程控增益放大器的原理 20 3.2.2  反相程控增益放大器電路的設計 21 3.2.3  添加軟件控制代碼 22 3.2.4  引腳分配 22 3.2.5  設計下載與測試 22 3.3  加法器的設計及實現(xiàn) 23 3.3.1  加法器的原理 23 3.3.2  加法器電路的設計 24 3.3.3  添加軟件控制代碼 25 3.3.4  引腳分配 25 3.3.5  設計下載與測試 26 3.4  減法器的設計及實現(xiàn) 26 3.4.1  減法器的原理 26 3.4.2  減法器電路的設計 27 3.4.3  添加軟件控制代碼 29 3.4.4  引腳分配 29 3.4.5  設計下載與測試 29 3.5  電流-電壓轉(zhuǎn)換器的設計及實現(xiàn) 30 3.5.1  電流-電壓轉(zhuǎn)換器原理 30 3.5.2  電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的設計 30 3.5.3  添加軟件控制代碼 33 3.5.4  引腳分配 33 3.5.5  設計下載與驗證 33 思考題 34 4   儀表放大器的設計及實現(xiàn)   35 4.1  儀表放大器的設計原理 35 4.2  儀表放大器電路的設計 36 4.3  添加軟件控制代碼 37 4.4  引腳分配 38 4.5  設計下載與測試 38 思考題 39 5   積分器和微分器的設計及實現(xiàn)   40 5.1  積分器電路的設計及實現(xiàn) 40 5.1.1  積分器的原理 40 5.1.2  積分器電路的設計 41 5.1.3  添加軟件控制代碼 42 5.1.4  引腳分配 42 5.1.5  設計下載與測試 42 5.2  微分器電路的設計及實現(xiàn) 43 5.2.1  微分器的原理 43 5.2.2  微分器電路的設計 43 5.2.3  添加軟件控制代碼 44 5.2.4  引腳分配 45 5.2.5  設計下載與測試 45 思考題 46 6   一階有源濾波器的設計及實現(xiàn)   47 6.1  一階有源低通濾波器的設計及實現(xiàn) 47 6.1.1  一階同相有源低通濾波器的設計及實現(xiàn) 47 6.1.2  一階反相有源低通濾波器的設計及實現(xiàn) 50 6.2  一階有源高通濾波器的設計及實現(xiàn) 54 6.2.1  一階同相有源高通濾波器的設計及實現(xiàn) 54 6.2.2  一階反相有源高通濾波器的設計及實現(xiàn) 57 思考題 61 7   二階有源濾波器的設計及實現(xiàn)   62 7.1  二階有源低通濾波器的設計及實現(xiàn) 62 7.1.1  二階有源低通濾波器的實現(xiàn)原理 62 7.1.2  二階有源低通濾波器電路的設計 63 7.1.3  添加軟件控制代碼 64 7.1.4  引腳分配 64 7.1.5  設計下載與測試 65 7.2  二階有源高通濾波器的設計及實現(xiàn) 65 7.2.1  二階有源高通濾波器的實現(xiàn)原理 65 7.2.2  二階有源高通濾波器電路的設計 66 7.2.3  添加軟件控制代碼 67 7.2.4  引腳分配 68 7.2.5  設計下載與測試 68 思考題 68 8   基于非線性元件的電路設計及實現(xiàn)   70 8.1  基于混頻器的峰值檢測電路設計及實現(xiàn) 70 8.1.1  基于混頻器的峰值檢測原理 70 8.1.2  基于混頻器的峰值檢測電路的設計 71 8.1.3  添加軟件控制代碼 72 8.1.4  引腳分配 73 8.1.5  設計下載與測試 73 8.2  基于采樣保持器的峰值檢測電路的設計及實現(xiàn) 74 8.2.1  基于采樣保持器的峰值檢測原理 74 8.2.2  基于采樣保持器的峰值檢測電路的設計 74 8.2.3  添加軟件控制代碼 75 8.2.4  引腳分配 76 8.2.5  設計下載與測試 76 8.3  精密整流電路的設計及實現(xiàn) 77 8.3.1  精密整流實現(xiàn)原理 77 8.3.2  精密整流電路的設計 77 8.3.3  添加軟件控制代碼 79 8.3.4  引腳分配 79 8.3.5  設計下載與測試 80 思考題 80 9   波形發(fā)生器的設計及實現(xiàn)   82 9.1  正弦波發(fā)生器設計及實現(xiàn) 82 9.1.1  正弦波發(fā)生器實現(xiàn)原理 82 9.1.2  正弦波發(fā)生器電路設計 83 9.1.3  添加軟件控制代碼 84 9.1.4  引腳分配 84 9.1.5  設計下載與驗證 85 9.2  方波發(fā)生器設計及實現(xiàn) 85 9.2.1  方波發(fā)生器實現(xiàn)原理 85 9.2.2  方波發(fā)生器電路設計 86 9.2.3  添加軟件控制代碼 87 9.2.4  引腳分配 88 9.2.5  設計下載與驗證 88 9.3  三角波發(fā)生器設計及實現(xiàn) 88 9.3.1  三角波發(fā)生器實現(xiàn)原理 88 9.3.2  三角波發(fā)生器電路設計 89 9.3.3  添加軟件控制代碼 90 9.3.4  引腳分配 91 9.3.5  設計下載與驗證 91 思考題 91 下篇   數(shù)字電路設計部分 1   SIO特性測試及其應用   95 1.1  SIO性能測試及實現(xiàn) 95 1.1.1  SIO原理 95 1.1.2  SIO測試電路設計 96 1.1.3  引腳分配 100 1.1.4  設計下載與測試 101 1.2  充電泵測試電路設計及實現(xiàn) 101 1.2.1  充電泵測試電路實現(xiàn)原理 101 1.2.2  充電泵測試電路設計 102 1.2.3  引腳分配 105 1.2.4  設計下載與測試 105 思考題 106 2   邏輯表達式及最小化實現(xiàn)   107 2.1  POS和SOP表達式的實現(xiàn) 107 2.1.1  POS和SOP表達式實現(xiàn)原理 107 2.1.2  POS和SOP邏輯電路的設計 108 2.1.3  引腳分配 111 2.1.4  設計下載與測試 112 2.2  邏輯表達式的化簡及實現(xiàn) 112 2.2.1  邏輯表達式的化簡 112 2.2.2  最小表達式邏輯電路的設計 112 2.2.3  引腳分配 115 2.2.4  設計下載與測試 115 思考題 115 3   編碼器和譯碼器的設計及實現(xiàn)   116 3.1  8-3編碼器的設計及實現(xiàn) 116 3.1.1  8-3編碼器的實現(xiàn)原理 116 3.1.2  8-3編碼器邏輯電路的設計 117 3.1.3  設計下載與測試 122 3.2  3-8譯碼器的設計及實現(xiàn) 123 3.2.1  3-8譯碼器的實現(xiàn)原理 123 3.2.2  3-8 譯碼器邏輯電路的設計 124 3.2.3  設計下載與測試 126 思考題 127 4   碼轉(zhuǎn)換的設計及實現(xiàn)   128 4.1  二進制碼到七段碼轉(zhuǎn)換的設計及實現(xiàn) 128 4.1.1  七段數(shù)碼管實現(xiàn)原理 128 4.1.2  二進制碼到七段碼轉(zhuǎn)換邏輯電路的設計 130 4.1.3  設計下載與測試 134 4.2  二進制碼到Gray碼轉(zhuǎn)換的設計及實現(xiàn) 135 4.2.1  Gary碼實現(xiàn)原理 135 4.2.2  二進制碼到Gray碼轉(zhuǎn)換邏輯電路的設計 135 4.2.3  設計下載與測試 138 思考題 138 5   多路復用器的設計及實現(xiàn)   139 5.1  多路復用器的實現(xiàn)原理 139 5.1.1  2-1多路復用器的實現(xiàn)原理 139 5.1.2  4-1多路復用器的實現(xiàn)原理 139 5.2  多路復用器邏輯電路的設計 140 5.2.1  2-1多路復用器IP核的設計 140 5.2.2  4-1 多路復用器IP核的設計 141 5.2.3  調(diào)用多用復用器IP核實現(xiàn)設計 142 5.2.4  引腳分配 143 5.3  設計下載與測試 144 思考題 144 6   多位數(shù)字比較器的設計及實現(xiàn)   145 6.1  比較器的實現(xiàn)原理 145 6.1.1  一位比較器的實現(xiàn)原理 145 6.1.2  多位比較器的實現(xiàn)原理 146 6.2  比較器邏輯電路的設計 147 6.2.1  一位比較器邏輯電路的設計 147 6.2.2  多位比較器邏輯電路的設計 148 6.2.3  調(diào)用多位比較器IP核實現(xiàn)設計 149 6.2.4  引腳分配 150 6.3  設計下載與測試 151 思考題 151 7   算術(shù)運算單元的設計及實現(xiàn)   152 7.1  加法器的設計及實現(xiàn) 152 7.1.1  加法器的實現(xiàn)原理 152 7.1.2  加法器邏輯電路的設計 154 7.1.3  設計下載與測試 159 7.2  減法器的設計及實現(xiàn) 159 7.2.1  減法器的實現(xiàn)原理 159 7.2.2  減法器邏輯電路的設計 160 7.2.3  設計下載與測試 165 7.3  加法 減法器的設計與實現(xiàn) 165 7.3.1  一位加法器 減法器的實現(xiàn)原理 165 7.3.2  多位加法器 減法器的實現(xiàn)原理 166 7.3.3  加法器 減法器邏輯電路的設計 167 7.3.4  設計下載與測試 171 7.4  乘法器的設計與實現(xiàn) 171 7.4.1  乘法器的實現(xiàn)原理 171 7.4.2  乘法器邏輯電路的實現(xiàn) 173 7.4.3  設計下載與測試 176 思考題 176 8   鎖存器和觸發(fā)器的設計及實現(xiàn)   178 8.1  基本SR鎖存器的設計及實現(xiàn) 178 8.1.1  基本SR鎖存器實現(xiàn)原理 178 8.1.2  基本SR鎖存器邏輯電路的設計 179 8.1.3  設計下載與測試 181 8.2  同步SR鎖存器的設計及實現(xiàn) 181 8.2.1  同步SR鎖存器實現(xiàn)原理 181 8.2.2  同步SR鎖存器邏輯電路設計 181 8.2.3  設計下載與測試 183 8.3  D鎖存器的設計及實現(xiàn) 183 8.3.1  D鎖存器實現(xiàn)原理 183 8.3.2  D鎖存器邏輯電路的設計 183 8.3.3  設計下載與測試 186 8.4  基本D觸發(fā)器的設計及實現(xiàn) 186 8.4.1  基本D觸發(fā)器實現(xiàn)原理 186 8.4.2  基本D觸發(fā)器邏輯電路設計 187 8.4.3  設計下載與測試 189 8.5  帶置位 復位D觸發(fā)器的設計及實現(xiàn) 189 8.5.1  帶置位 復位D觸發(fā)器實現(xiàn)原理 189 8.5.2  帶置位 復位D觸發(fā)器邏輯電路設計 190 8.5.3  設計下載與測試 192 思考題 193 9   寄存器的設計及實現(xiàn)   194 9.1  普通寄存器的設計及實現(xiàn) 194 9.1.1  普通寄存器的實現(xiàn)原理 194 9.1.2  普通寄存器邏輯電路的設計 195 9.1.3  設計下載與測試 198 9.2 移位寄存器的設計及實現(xiàn) 199 9.2.1  移位寄存器的實現(xiàn)原理 199 9.2.2  移位寄存器邏輯電路的設計 199 9.2.3  設計下載與測試 202 思考題 202 10   有限自動狀態(tài)機的設計及實現(xiàn)   203 10.1  有限自動狀態(tài)機的實現(xiàn)原理 203 10.2  有限自動狀態(tài)機邏輯電路的設計 206 10.2.1  FSM邏輯電路IP核的設計 206 10.2.2  調(diào)用FSM IP核完成完整的設計 209 10.2.3  引腳分配 211 10.3  設計下載與測試 212 思考題 212 11   計數(shù)器的設計及實現(xiàn)   213 11.1  計數(shù)器的實現(xiàn)原理 213 11.2  計數(shù)器邏輯電路的設計 214 11.2.1  三位計數(shù)器IP核的設計 214 11.2.2  調(diào)用三位計數(shù)器IP核完成設計 215 11.2.3  引腳分配 216 11.3  設計下載與測試 216 思考題 217 12   基于查找表的數(shù)字系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)   218 12.1  查找表實現(xiàn)原理 218 12.2  基于查找表的數(shù)字系統(tǒng)電路設計 220 12.2.1  基于查找表的四位計數(shù)器的IP核設計 220 12.2.2  調(diào)用四位計數(shù)器的IP核實現(xiàn)設計 223 12.2.3  引腳分配 224 12.3  設計下載與測試 224 思考題 225 13   多諧振蕩器的設計及實現(xiàn)   226 13.1  多諧振蕩器實現(xiàn)原理 226 13.2  多諧振蕩器電路設計 226 13.3  引腳分配 227 13.4  設計下載與測試 228 思考題 228 14   復雜數(shù)字系統(tǒng)的高層次描述及實現(xiàn)   229 14.1  數(shù)字系統(tǒng)高層次描述概述 229 14.2  基于高層次描述的交通燈控制實現(xiàn)原理 229 14.3  交通燈控制電路的設計 230 14.4  引腳分配 235 14.5  設計下載與測試 235 思考題 235 附錄   數(shù)字和模擬電路混合設計的實現(xiàn)   236 1．數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn) 236 2．模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn) 237

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   前面一節(jié)實現(xiàn)了一位比較器的邏輯電路的設計，這個多路復用邏輯是以IP核形式存在的。本節(jié)將通過調(diào)用這個IP核，實現(xiàn)四位比較器的邏輯功能。 下面給出添加IP核的步驟。 （1）打開PSoC Creator2.0軟件，在主界面主菜單下，選擇File->New->Project...，彈出 創(chuàng)建新工程界面，在對話框中選擇Other標簽。在Other標簽下，選擇PSoC Library類型。在Location右邊輸入該設計的路徑，在Name右邊給出該設計的工程名字comparator_4bit，然后點擊“OK”按鈕。 （2）在主界面的Workspace‘comparator 4bit’窗口下，選擇Components標簽欄，鼠標右鍵點擊Project‘comparator_4bit’條目，出現(xiàn)浮動菜單，選擇“Import Component...”。 （3）可以看到在Workspace‘comparator 4bit’窗口下，Components標簽欄的窗口中，新添加了comparator_1元件。 下面給出調(diào)用一位比較器IP核實現(xiàn)四位比較器邏輯功能IP核的步驟。 （1）在主界面的左側(cè)的Workspace Explorer窗口，選擇Components標簽，選中Project ‘comparator 4bit’條目，點擊鼠標右鍵，出現(xiàn)浮動菜單，選擇“Add Component Item...”選項。 （2）彈出添加元件條目（Add Component Item）對話框界面，在Implementation下，選擇Schematic類型，在Component name的右邊給出元件的名字comparator_4bit。點擊“Create New”按鈕。 （3）在主界面右側(cè)的Component Catalog窗口內(nèi)，選擇Default標簽，在Component下面找到comparator_1條目。將該元件分別分四次拖入到原理圖設計界面中。 （4）選擇pagel設計圖樣，在該圖樣中將完成四位比較器的設計。由于最低一位比較器的Gin和Lin輸入為邏輯‘0’，所以在Component Catalog窗口內(nèi)的Cypress標簽欄下，展開Digital子條目。在展開的子條目的Logic條目下，找到Logic low‘0’，并拖入到原理圖界面中，并分別和最低一位比較器的Gin和Lin連接。 （5）設計完成后，鼠標右鍵點擊原理圖界面，出現(xiàn)浮動菜單，選擇“Generate Symbol”選項。 （6）在主界面主菜單下選擇File->Close Workspace，退出該設計。 下面準備調(diào)用生成的IP核，完成一個完整的設計。

編輯推薦

《PSoC設計指南系列:PSoC模擬與數(shù)字電路設計指南》可作為大學本科和高職學生進行模擬電子技術(shù)和數(shù)字電路教學的實驗教材，也可作為相關(guān)設計人員設計模擬和數(shù)字電路的參考用書，同時也可作為Cypress公司相關(guān)內(nèi)容的培訓教材。

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