PSoCで行きたい

by K.I

2004/08/01? 〜

Index

概要
- アナログが苦手
オペアンプを使えるようになりたい
- 反転増幅器の動作
- スイッチト・キャパシタによる反転増幅器
反転増幅器を使ってみたいが、、、
- スイッチト・キャパシタの設定
- 入力に何を繋ごうかな？
- SCBlockを動かしてみる
- やっと動いた
- 反転しない
- 動作しました。。。
その他の基本回路
- 非反転増幅器
- 減算回路
- 全波整流？
- 加算回路

概要

CypressのPSoCを使い始めた。PSoCに関してはWebでの情報も少なく、結構戸惑ったが PastelMagicのBBSでのアドバイスもあって、ワンチップマイコンとしての機能は、いろいろ試してみることが出来た。慣れてくると、なかなか使い易そうなマイコンだと感じている。

でもPSoCは、アナログ機能をプログラム出来るのが特徴なんだから、何とか少しでも使ってみたい。
自分は、デジタル回路は何とか使っているものの、アナログは分からない事が多くて自分で考えて作ったものは殆んど無い。

アナログが苦手

何故、自分はアナログ回路が分かんないんだろう。

まずデジタルに比べて数式を使うことが多くて面倒だ →これは覚えれば良いだけの話なんだけど
アナログ用のパーツは、手に入り難いものが多い →似たような部品でも、微妙に動作が違ったりする
本とか見て同じように作っても、再現出来ないことが多い →部品の配置や基板の配線で、全然違った動作をすることがある
回路の動作を確認する場合、測定が難しい →そもそも分からなくてやってるから、測定の回路が本来の動作を邪魔したりする

デジタルにしたって、デジタルの難しさはある（はずだよね）。手を動かしてやって見ないと分からないのは同じなんだけど、アナログは作るのが何故か難しく感じる。

結局、本とか見て同じようにやろうとしても再現出来ないっていうのが一番の問題なんじゃないかと思う。
PSoCだったら、高性能の回路を作るのは無理としても、この問題は殆んどクリア出来るんじゃないかなぁ。
もしかするとPSoCは、アナログの勉強をするのには最適なんじゃないだろうか。

ということで、PSoCを使ってアナログ回路の勉強をし直そうと思う。（できるといいなぁ）

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オペアンプを使えるようになりたい

自分の場合は、Op-Ampも良く分からないので、基本からやり直すことにする。

Op-Ampは基本的には、V+とV-入力の差分を増幅する差動増幅器で、入力電圧と出力電圧は以下の式で表される。

Op-Ampは、さらに以下のような性質を持っている

利得が非常に大きい。（無限大とみなせる）
入力抵抗が大きく、出力抵抗が小さい。
使用する周波数範囲で、上記の性質が保たれる。

ちなみにPSoCの場合はというと、、、カタログの最後の方のそれらしい数字を引っ張り出してみよう。

パラメータ	規格値
利得	60dB（1000倍）
入力抵抗	入力リーク最大200nA
出力抵抗	1Ω
入力(VDD5V)	0.5〜4.5V
入力(VDD3V)	0.2〜2.8V
出力(VDD5V)	VDD/2±1.6V
出力(VDD3V)	VDD/2+0.5-0.8V

まぁ十分なんだろう。でも入出力の範囲は気を付けよう。VDD/2を基準に考えた方が良さそうだなぁ。

周波数範囲は自分には良く分からないけど、今はまだ良しとする。

反転増幅器の動作

今度は、基本的なところで反転増幅器の動作を考える。

Op-Ampの入力抵抗は十分大きいので、RA,RBに流れる電流iは同じになる。
ここで利得を無限大と考えると、Vdが0に近付くように働くので、こうなる
ここらへんまでは、以前、何度か勉強やりかけたんだけど。。。挫折しました。

Vdが0に近付く性質をイマジナリ・ショートって言って、Op-Ampを簡略化して動作を理解するのに便利な考え方だったような気がする。

スイッチト・キャパシタによる反転増幅器

PSoCは、抵抗の代わりにスイッチト・キャパシタで回路を構成している。

ここらへんはトラ技の'04年8月号の桑野さんの解説を、そのまんま、なぞって見よう。

PSoCで反転増幅器を作ると、以下のようになっているらしい

φ1、φ2を交互に繰り返す

これを簡略化すると、、、

Vdは0になるんだから、Ca,Cbは両端がGNDに接続され放電状態になるのか。。。

φ2の時だけ、動作している感じなのか。実際は、こっちだけ考えれば良さそうだなぁ。

電荷とコンデンサの電圧の関係式 Q=CVから、

\[ q = C_a \times (V_{in} - V_d) = C_b \times (V_d - V_{out}) \]

やっぱり、Vdを0と考えると、

うーん、なるほど。分子と分母は逆になるけど、抵抗の場合と同じような式になるんだね。面白いなぁ。

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反転増幅器を使ってみたいが、、、

PSoCで実際に反転増幅器を動かしてみよう。

でも、どのモジュールを使ったら良いんだろう？さっぱり分からん。
AMPINVってやつが、それらしいんだけど。。。inputに、隣のモジュールの出力やGNDしか繋げられないのかなぁ。I/Oポートに直結したいんだけどなぁ。。。
PGAは、単純な反転増幅器じゃないみたいだ。データシートみるとV+側が入力になってるし。（実際はどうなってるか分かり難いしね）
結局、汎用のスイッチト・キャパシタ・モジュールを使うしか無いか。
でも、いざ置いてみようとすると、置き場所によるけど、ポート2-1か2-2を入力にするしかないみたいだなぁ。
あれ、ブロックダイアグラムを良く見ると、B入力を使わないと説明図と同じにならないや。でもB入力は他のブロックに接続するしか出来ないみたいだ。。。

ここで途方にくれてしまった。それで桑野さんの記事を見直していると、極性切替え回路の説明がある。

あぁ、これはA入力の部分もB入力と同じようにすることが出来るんだと気が付いた。
というより、Aの方が汎用性を持たせてあるんだ。これで、A入力を安心して使える！

これに気が付くのに随分かかっちゃったけど、これで最初は全く意味不明だったスイッチト・キャパシタの回路も少しだけ分かった気がする。

スイッチト・キャパシタの設定

自分なりのイメージで描いてます。変かも。

スイッチト・キャパシタのブロックダイアグラムをみながら適当に設定してみる。

User Module Parameters
FCap	16	FCap=ACapで、倍率1
ClockPhase	Norm	良く分からないが多分Normalだろう
ASign	Neg	反転増幅器だからNeg
ACap	16	FCap=ACapで、倍率1
ACMux	Port_2_1	A入力をポート2-1に接続する
BCap	0	B入力を切り離すため、0にする
AnalogBus	AnalogOutBus_0	出力をAnalogOutBus_0に接続する
CompBus	Disable	CompBusには接続しない
AutoZero	On	よく分からないが、回路図からみて1だ
CCap	0	C入力を切り離すため、0にする
ARefMux	AGND	反転増幅器として使うためGNDに落す
FSW1	On	FCapを有効にするSWかな？とりあえず1
FSW0	On	同じく1に設定しておこう
BMux	ACB00	BCap=0なので関係ないはず適当に繋ぐ
Power	Low	これは何だろう？とりあえずlowにする

PSoCのコンデンサの基本単位は、約50fF（0.05pF)¹ということだが、倍率は比率で決まるはずなので、今は気にしない。

周波数は最大2MHzか。。。どれぐらいが良いんだろう？
とりあえず、VC1をシステムクロック3MHzを1/10にして300kHzにして使おう。

入力に何を繋ごうかな？

入力端子は、PSoCのOp-Ampの入力電圧範囲が 0.5〜4.5Vなので、VDD/2を基準にした回路にしたい。

入力電圧範囲を合わせるのって面倒くさいし。

PSoC_Design_Challenge_2002にある、 Poor_Man's_Oscilloscopeの入力部分が簡単で良さそう。そのまま使わせてもらおう。

でも、1μは手持ちにないので、0.1μを使う。

これでも時定数は約0.1秒だから、きっと大丈夫だ。（ほんとかなぁ）

直接繋いだ方が良いのかなぁ。でも、直結すると壊しそうだし。。。

SCBlockを動かしてみる

本当は何かセンサを繋ぎたいところだけど、、、

ヘタレなので²秋月のDDSキットで正弦波を入れることにした。
約800mVp-pのキレイな波形だ。

とりあえずプログラムなしでやってみたけど、当然出力が出ない。

やっぱりSCブロックを起動しないとダメなのか。

        SCBLOCK_1_SetPower(1);

これでどうだ。あれ。。。暫く考える。。。SLEEPにしてるじゃん。

やったー。波形が出た。。。でも、ちょっと変かなぁ。。。

秘密兵器のオシロ。出来れば使いたくないんだけど。。。

うーん、やっぱり波形が変だ。最初20kHzでやってダメだったので、1kHzでもやったけどほとんど変わり無し。なんだろう。入力インターフェース部分の問題なのかなぁ。

やっと動いた

良く見直してみると、クロックは24MHzで、1/10だと2.4MHzだった。

SCブロックのクロックは最大2MHzなんだから、そりゃダメだよね。
24MHzの1/16で、1.5MHzで再挑戦した。

今度こそ、動いた！！結構悩んだんだけどなぁ。まったく何やってんだか。。。

40kHzを入力すると、出力に段差があることがはっきり分かる。→実際は同期とれないので波形が幅をもってボケてみえる。
ACapを倍にすると、出力が飽和するのが分かる。ここらへんを使いこなすのが大変なんだろうなー。

反転しない

うまくいったと思ったんだけど、これって反転増幅器なんだけどなぁ。

反転してないんじゃないか？

Posiにすると、早めに飽和するのは何故だ？

もしかしたら半波長分遅れてる？いや、周波数が違っても同じだし。

一応、ショットキーダイオードをかまして、見てみるけどやっぱり反転じゃないなぁ。
Asignをポジにすると、反転するんだけど。。。データシートによれば、Negの時、φ1でRef入力、φ2でAinputに繋がるんだよなぁ。これが反転増幅器のはずなんだけど。。。

また、分からなくなりました。

いろいろやってもダメか

JunkBoxさんにSetPowerで3を指定した方が良いと言われた。すると波形はしっかり出るようになった。飽和とかもしなくなるみたい。

これだけキレイに波形が出れば、いろいろ使えそうな感じがする。

でも、やっぱり反転してくれない。

関係ありそうな、AGNDbypassをenableにしてみたり、ClockPhaseをswapしてみたりする。

自分の理解では、Posiの時反転するのは納得出来ない。やっぱりまだ理解出来てないんだろうか？何か根本的に間違ってるのかなぁ。

ASDモジュールに変えてみる

doggieさんから、ASCモジュールの方はASignにEx-ORが付いてるけどという指摘あり。

これは全然気が付なかった。こういう指摘は有難い。もしかしたらそうかも。
モジュレーションレジスタでダイナミックに変更出来るみたいだけど、良くわかんないんでASDモジュールに変えてみました。
結果は、、、全く同じでした。。。
これは、当たりだと思ったんだけど、デフォルトでは反転しない状態みたいだなぁ。。。

動作しました。。。

回路と設定値を何度見直しても合ってるような気がする。

もしかしたら、本当はうまく動いてるんじゃないかなぁ→じゃあ、何が違ってるんだ？そんなこと有り得る？
まさか、測定が間違ってるってことはないよなぁ→オシロを良く見る。CH2にINVのボタンがある。
でも反転にした覚えは無いし、、でも一応押してみる→押すと当然反転する。そりゃそうだ。
ん、押したら、何か↓の表示が消えたような。。。あ"

えーっと、上の波形が正しい反転増幅器の出力波形です。（1kH,40kHz）

結局、オシロで反転して観測³してました。そりゃ、反転にならないよな。。。

¹データシートには80fFと書いてあったりするけど、どれが正しいのかな。
²じゃなくて、オシレータを持ってないからだけど、周波数を簡単に変えられるから便利なんだよね。
³リードアウトのやつって、切替が分かり難くってダメなんだよなぁ。。。言い訳。

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その他の基本回路

それ以外の回路も考えてみる。う〜ん、また数式か。

非反転増幅器

φ1でCaが充電され、φ2で放電された分がCbに流れる。

Cbの電流の向きは逆だから、電荷とコンデンサの電圧の関係式 Q=CV、さらにVd=0だから、

\[ q = C_a \times (V_{in} - V_d) = - C_b \times (V_d - V_{out}) \]\[ V_{out} = \frac{C_a}{C_b} \times V_{in} \]

反転増幅器の入力のスイッチを逆転させただけで、非反転増幅器として働いていることが分かる。

PSoCのスイッチトキャパシタの場合は、ASignをPosi,Negにするだけで、これが簡単に切替えられる。
SCモジュールでは、さらにモジュレーション入力に信号を繋げば、動的にコントロール出来る。

減算回路

今度は、非反転増幅器のRef側を、GNDに落さずに別の入力にした回路を考える。

φ1でCaが充電されるのは非反転増幅器と同じ。φ2ではCaに充電されると同時に、放電されると考えれば、Cbにはq2-q1が流れる。

電荷とコンデンサの電圧の関係式 Q=CV、さらにVd=0から、

\[ q1 = C_a \times (V_{in1} - V_d) \]\[ q2 = C_a \times (V_{in2} - V_d) \]\[ q2-q1 = C_b \times (V_d - V_{out}) \]\[ C_a \times ((V_{in2} - V_d) - (V_{in1} - V_d)) = C_b \times (V_d - V_{out}) \]\[ V_{out} = \frac{C_a}{C_b} \times (V_{in1} - V_{in2}) \]

これだけで、減算になっていることが分かる。でも、減算回路って何に使うんだろう？

全波整流？

スイッチト・キャパシタの出力をモジュレーションのコントロールに繋いじゃえばどうかなぁ。

反転増幅器のCBUS出力をコンパレータバス0に繋いで、
さらにコンパレータバスをモジュレーションに接続（AMD_CR0=0x04）

ダメでした。良い考えだと思ったんだけど。。。

スイッチト・キャパシタのCBUS出力は、何故かφ2でdisableになってる→通常のABUS出力と逆だよね。まぁ、この所為だろう。
それじゃ、CBUS出力はどんな信号なんだってことでコンパレータバスを直接見てみようと思ったんだけど、、、
- コンパレータバスって、他のモジュールに繋ぐのが難しいなぁ。→単に外に出したいだけなのに。。