–May2018
如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合
DarrenLu
MSP430™微控制器(MCU)通过集成智能模拟组合(SAC)提供全信号链实施方案以代替外部运算放大器。
智能模拟组合是一款可配置的模拟外设，包括一个高性能低功耗运算放大器、一个增益高达33的可编程增益放大器(PGA)和一个12位数模转换器(DAC)。
此应用报告说明了如何使用MSP430MCU中的智能模拟组合模块。
说明了智能模拟组合的概念、工作模式、内部连接、基于ROM的驱动程序库和设计注意事项。
此应用报告还给出了智能模拟组合用例并说明了在烟雾探测器和电流环路应用中使用该模块的优势。
内容 1简介
1 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated 简介 商标 14在烟雾探测器中使用智能模拟组合.......................................................................................1715在电流环路中使用智能模拟组合..........................................................................................17 MSP430isatrademarkofTexasInstruments.Allothertrademarksarethepropertyoftheirrespectiveowners. 1简介 各种传感器可以将现实世界中的物理量转换为电信号。
传感器的输出信号通常具有较小的幅度和噪声，因此必须对其进行放大和滤波。
运算放大器是用于放大和滤波等信号调节工作的重要组件。
在信号调节之后，使用模数转换器(ADC)将模拟信号转换为数字信号以供处理器或控制器进行分析。
MSP430MCU为信号链元件提供高度集成的模拟外设，用于传感和测量应用。
在MSP430FR23xx系列MCU中，集成的智能模拟组合是一款重要的差异化模拟外设，包括一个高性能低功耗运算放大器、一个增益高达33的PGA和一个12位数模转换器。
智能模拟组合在一块芯片上提供灵活的模拟配置，可缩减BOM成本和PCB尺寸。
此应用报告讨论了如何使用MSP430MCU中的智能模拟组合。
报告中介绍了工作原理、工作模式、内部连接、基于ROM的驱动程序库、设计注意事项和应用用例。
1.1智能模拟组合概念 智能模拟组合模块包括一个可编程增益放大器(PGA)和一个12位数模转换器(DAC)。
该模块可用于输入路径中的信号调节和输出路径中的波形生成。
智能模拟组合有三种不同的配置级别：SAC-L1、SAC-L2和SAC-L3。
•SAC-L1是最小功能集，仅集成了运算放大器。
•SAC-L2包含运算放大器和反馈电阻梯，可构成增益高达33的PGA。
•SAC-L3是最大功能集，集成了SAC-L2PGA和12位DAC。
不同的MSP430MCU具有不同的智能模拟组合配置级别。
例如，MSP430FR2311集成了一个SAC-L1模块，而MSP430FR2355集成了四个SAC-L3模块。
有关特定MCU上的智能模拟组合配置级别和数量，请参阅特定器件数据表。
图1显示了SAC-L3模块的框图。
该集成式放大器支持轨至轨输入和轨至轨输出。
两个内部多路复用器支持运算放大器(OA)的多个输入选择。
运算放大器功率模式(OAPM)控制位用于选择OA功率模式。
在高功率模式下，OA提供更高的增益带宽和压摆率。
如果在应用中降低功耗更为重要，请通过将OAPM位设置为1来选择OA低功率模式。
反馈电阻梯将OA输出与负输入相连作为反馈路线。
借助反馈路线，OA支持反相PGA模式和同相PGA模式。
SAC-L3模块中还集成了12位DAC。
该DAC可用于为OA产生偏置电压，或者可与OA一起用于驱动焊盘上的波形输出。
2 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated ZHCA931–May2018 Tootherperipheralsreference SeedetailsinthesectionofSACDAC 12-bitReferenceDAC PSELPMUXEN 000110 OAENOAPMOA InvertingAmplifying(00)Follower(01) NoninvertingAmplifying(10) PairedOAOutput(11) MSEL GAIN 000110 NSELNMUXEN OAx−OAx+ 简介 OAxO FrompairedSACoutput 图
1.智能模拟组合框图 1.2单电源放大器设计注意事项 由于智能模拟组合(SAC)是MSP430MCU中的模拟外设之
一，因此SAC由MSP430MCU上的电源引脚供电。
集成式OA采用单电源设计，具有2V至3.6V的宽电源电压范围。
OA输入端以地为基准。
双电源OA电路设计非常简单，因为OA输入和输出端以电源正常接地的中心点为基准。
单电源OA设计比双电源OA复杂一点，因为单电源OA通常需要某种形式的偏置。
OA输入和输出电压必须在其两个电源轨内。
SAC不支持负电压输入和输出。
当SAC处于反相放大器模式时，正输入端的偏置对于避免削波失真至关重要。
图2显示了在反相模式下工作的单电源放大器的典型电路。
VREF和电阻分压器用于产生偏置电压，而带有内置基准的SACDAC12可替代外部基准和电阻分压器。
借助SAC反馈电阻梯，图2中的电路用一个SAC即可实现，无需任何外部组件。
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3 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated 简介 图
2.单电源反相放大器 当SAC处于同相放大器模式时，如果输入信号的直流分量很小，则允许放大直流分量和交流分量。
如果输入信号包含相对较大的直流分量而其交流分量较小，则放大较小交流分量需要高增益，但使用高增益放大直流分量会导致放大器失真。
在负电压输入端增加偏置可以通过降低共模输入电压来解决这一问题。
图3显示了在同相模式下工作的单电源放大器的典型电路。
与反相放大器电路类似，同相放大器也可以用SAC实现，无需外部组件。
不同之处在于需要两个SAC模块，因为DAC只能连接到OA的正输入端，而第二个SAC工作在DAC模式下以便向OA负输入端产生偏置电压。
有关单电源放大器的更多详细信息和设计注意事项，请参阅《单电源运算放大器设计技巧》。
图
3.单电源同相放大器 1.3智能模拟组合驱动程序库 所有MSP430FRAMMCU均支持一个驱动程序库(DriverLib)以帮助用户加速固件开发。
MSP430驱动程序库是一个易于使用的高级抽象编程接口，通过为每个外设提供简单的函数调用，让用户完全控制MSP430硬件寄存器的位和字节。
这有助于用户减少学习时间，而将更多时间用于进行MSP430MCU的相关创新。
有些MSP430MCU（如MSP430FR2355）包含一个完全集成在ROM存储器中的完整外设驱动程序库。
开发人员可以利用基于ROM的驱动程序库获得更多好处，包括在更高的CPU时钟频率下执行单周期ROM，并为其他应用程序代码节省FRAM空间。
SAC模块有超过20个API函数可用。
这些API函数可用于初始化SAC、启用SAC、禁用SAC、设置SAC工作模式、配置DAC、选择DAC基准、选择功率模式等等。
每个API函数都经过全面测试并有完善的文档说明。
基于FRAM的驱动程序库是完全开源的，可以帮助开发人员了解抽象层下面发生的情况。
开发人员可以通过将驱动程序库头文件添加到其项目中并链接到属性库来访问基于ROM的API。
此应用报告说明了如何将SAC与驱动程序库结合使用。
有关SACAPI函数的更多信息，请参阅《适用于MSP430FR2xx_4xx器件的MSP430DriverLib用户指南》。
4 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated ZHCA931–May2018 2智能模拟组合工作模式 智能模拟组合工作模式 2.1通用模式 图4显示了SAC通用模式的配置。
在此模式下，OAx+和OAx-是专用信号输入端。
如图4中的红色突出显示部分所示，不使用内部DAC和反馈电阻梯。
在通用模式下使用SAC没有限制，它与使用外部单电源运算放大器相同。
可以使用SAC和外部组件组成各种不同的电路，如反相放大器、同相放大器、滤波器，等等。
通常必须添加偏置和反馈电阻器。
外部组件和连接决定了电路类型。
从外部放大器电路迁移到通用模式的集成SAC很方便。
与外部放大器相比，SAC在具有相同电路类型的同时可以缩减BOM成本和PCB尺寸。
当SAC未使用时，可以通过MSP430MCU中的控制寄存器来将其禁用，从而达到省电目的。
SAC-L1仅支持通用模式，不包含DAC和反馈电阻梯。
OAx− OAx+ PSELPMUXEN OAENOAPM 0012-bit Reference 01 DAC10 +OA − OAxO InvertingAmplifying(00)Follower(01) NoninvertingAmplifying(10) PairedOAOutput(11) 000110 NSELNMUXEN MSEL GAIN 图
4.智能模拟组合通用模式 要将SAC配置为通用模式，必须在SACOA控制寄存器SACxOA中设置SACEN、OAEN、PMUXEN和NMUXEN位。
PSEL和NSEL位也位于SACxOA寄存器中，默认情况下，它们配置为选择外部引脚作为OA输入端。
OAPM位用于选择高速或低速模式。
高速模式可支持更高的增益带宽和压摆率，但代价是功耗更高。
Example1显示了使用驱动程序库API函数将SAC配置为通用模式的一个代码序列。
必须在配置SAC模块之前选择引脚功能作为SAC功能，但此示例代码未包含引脚功能设置。
不同的MSP430MCU具有不同的引脚定义（有关详细信息，请参阅数据表）。
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5 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated 智能模拟组合工作模式 Example1.智能模拟组合通用模式的代码示例
6 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated ZHCA931–May2018 2.2缓冲模式 智能模拟组合工作模式 图5显示了SAC缓冲模式。
缓冲器是单位增益，也称为电压跟随器。
电压跟随器通常用于解决阻抗匹配问题，提高输出驱动强度，并将高精度电路与高功率电路隔离。
如图5中的红色突出显示部分所示，信号输入来自正端口、外部焊盘或SAC缓冲模式下的OA。
OA的输出端与电阻梯隔离，且PGAMSEL设置为悬空状态。
OA可以输出到外部引脚或内部输出到配对的OA。
要将SAC配置为缓冲模式，NSEL位必须选择PGA源作为负输入(NSEL=01b)，且MSEL位必须选择缓冲模式(MSEL=01b)。
Example2显示了使用驱动程序库API函数将SAC配置为缓冲模式的一个代码序列。
OAx− OAx+ PSELPMUXEN OAENOAPM 0012-bit Reference 01 DAC10 +OA − OAxO InvertingAmplifying(00)Follower(01) 000110 NSELNMUXEN NoninvertingAmplifying(10) PairedOAOutput(11) MSEL GAIN 图
5.智能模拟组合缓冲模式 Example2.智能模拟组合缓冲模式的代码示例 ZHCA931–May2018 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合
7 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated 智能模拟组合工作模式 2.3同相PGA模式 图6显示了SAC的同相PGA模式。
在这种模式下，无需反相即可放大信号。
这对于不允许负电压的单电源放大器很有用。
内部的可配置电阻梯决定放大器增益，无需外部反馈。
从1x到33x，有8种不同的增益设置。
OAx− OAx+ PSELPMUXEN OAENOAPM 0012-bit Reference 01 DAC10 +OA − OAxO InvertingAmplifying(00)Follower(01) NoninvertingAmplifying(10) PairedOAOutput(11) 000110 NSELNMUXEN MSEL GAIN 图
6.智能模拟组合同相PGA模式 如图6中的红色突出显示部分所示，可从正端口OAx+或配对的OA选择信号输入。
OA负端口必须选择PGA输入(NSEL=01b)，且PGAMSEL设置为接地(MSEL=10b)。
SAC增益由SACxPGA控制寄存器中的GAIN位进行配置。
Example3显示了使用驱动程序库API函数将SAC配置为同相PGA模式的一个代码序列。
Example3.智能模拟组合同相PGA模式的代码示例
8 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated ZHCA931–May2018 2.4反相PGA模式 智能模拟组合工作模式 图7显示了SAC的反相PGA模式。
在这种模式下，可以通过反相放大信号。
由于在使用SAC期间不允许负电压，因此SAC反相PGA模式必须具有偏置。
偏置电压可由外部电路或内部12位DAC产生。
图7中的红色突出显示部分显示了使用内部DAC在OA正输入端产生偏置电压的用例。
通常情况下，偏置电压是电源电压的一半。
信号输入来自外部引脚OAx-或内部配对的OA。
OAx− OAx+ PSELPMUXEN OAENOAPM 0012-bit Reference 01 DAC10 +OA − OAxO InvertingAmplifying(00)Follower(01) NoninvertingAmplifying(10) PairedOAOutput(11) 000110 NSELNMUXEN MSEL GAIN 图
7.智能模拟组合反相PGA模式 为了将SAC配置为反相PGA模式，PGAMSEL选择OAx-(MSEL=00b)或配对的OA(MSEL=11b)作为源，且OA负端口必须选择PGA输入(NSEL=01b)。
OA正端口可从外部引脚OAx+或12位DAC中选择。
SAC增益由SACxPGA控制寄存器中的GAIN位进行配置。
Example4显示了使用驱动程序库API函数将SAC配置为反相PGA模式的一个代码序列。
ZHCA931–May2018 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合
9 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated 智能模拟组合工作模式 Example4.智能模拟组合反相PGA模式的代码示例 10 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated ZHCA931–May2018 2.5DAC模式 智能模拟组合工作模式 SAC-L3包含一个12位DAC。
该DAC可用作基准电压，也可与OA和PGA一起用于直接驱动输出焊盘。
使用DAC生成信号并驱动其他电路时，必须将OA配置为缓冲模式以提高驱动强度。
图8中的红色突出显示部分显示了SACDAC模式，在此模式下，必须同时启用12位DAC和内置OA，并将PGAMSEL设置为悬空状态。
OAx− OAx+ PSELPMUXEN OAENOAPM 0012-bit Reference 01 DAC10 +OA − OAxO InvertingAmplifying(00)Follower(01) NoninvertingAmplifying(10) PairedOAOutput(11) 000110 NSELNMUXEN MSEL GAIN 图
8.智能模拟组合DAC模式 Example5显示了使用驱动程序库API函数将SAC配置为DAC模式的一个代码序列。
在此代码中，内部共享基准被选为DAC基准，DAC始终在计时器输出TB2.1的上升沿从DACDAT加载数据。
当DACIE置位时，DAC模块可以产生中断，设置的DACIFG位表示DAC已为新数据做好准备。
DACSREF位选择两个特定于器件的基准。
MSP430FR2355MCU支持内部共享基准和VCC作为DAC基准。
DAC加载数据的触发信号也是特定于器件的，此代码仅显示一种配置，用户可以通过更改API参数来更改配置。
Example5仅显示SAC模块的配置代码。
要使SAC在DAC模式下工作，用户还应该注意其他相关事项，如内部共享基准设置、Timer_B2设置以及中断服务例程。
ZHCA931–May2018 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合 11 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated 智能模拟组合工作模式 Example5.智能模拟组合DAC模式的代码示例 12 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated ZHCA931–May2018 3智能模拟组合互连配置 智能模拟组合互连配置 3.1智能模拟组合级联 模拟电路通常很复杂，需要在一个电路中整合放大、滤波、缓冲等不同功能。
单个放大器无法实现多种要求，因此需要广泛使用放大器级联。
两级级联放大器的一个典型用例是第一级放大器设置为高增益放大器，第二级放大器设置为缓冲器。
通过这种方式，可以实现高增益和高输出驱动强度。
MSP430FR2355通过灵活的互连方式集成了四个SAC模块（SAC0、SAC1、SAC2和SAC3）。
SAC0与SAC2配对，而SAC1与SAC3配对。
SAC0输出端连接到SAC2正和负输入端。
SAC2输出端连接到SAC0正和负输入端。
SAC1和SAC3的互连类似于SAC0和SAC2的互连。
通过MSP430MCU的内部连接，级联的SAC模块可以配置为多种工作模式，并且还可简化电路板布局。
图9显示了一个包含两个级联同相放大器的示例。
第一个OA的同相输出端在内部连接到第二个OA的同相正输入端，方法是选择配对的OA输出端作为正输入端(PSEL=10b)。
12-bitReferenceDAC InvertingAmplifying(00)Follower(01) NoninvertingAmplifying(10) PairedOAOutput(11) MSEL=10 GAIN PSEL=00 PMUXEN=
1 000110 000110 NSEL=01 NMUXEN=
1 OAENOAPM =
1 =
1 +OA0 − OA0−OA0+ OA0O 12-bitReferenceDAC InvertingAmplifying(00)Follower(01) NoninvertingAmplifying(10) PairedOAOutput(11) MSEL=10 GAIN 图
9.智能模拟组合级联示例
1 PSEL=10 PMUXEN=
1 000110 000110 NSEL=01 NMUXEN=
1 OAENOAPM =
1 =
1 +OA2 − OA2−OA2+ OA2O ZHCA931–May2018 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合 13 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated 智能模拟组合互连配置 图10显示了SAC级联示例1的示波器波形。
通道1是第一级SAC的输入信号。
通道2是第一级SAC的输出信号。
通道3是第二级SAC的输出。
如图10所示，输入信号在无反相的情况下放大两次。
第一级放大器将信号放大3倍，第二级放大器将信号放大2倍。
总增益为
6。
图10.智能模拟组合级联波形
1 图11显示了另一个包含两个级联反相放大器的示例。
第一个反相OA的输出端在内部连接到第二个反相OA的电阻梯作为负输入端。
通过将SACPGA模式设置为级联OA反相模式(MSEL=11b)，可以实现此配置。
OAx− OAx− OAx+ OAx+ PSELPMUXEN OAENOAPM PSELPMUXEN OAENOAPM 0012-bit Reference 01 DAC10 +OA − OAxO 0012-bit Reference 01 DAC10 +OA − OAxO InvertingAmplifying(00)Follower(01) NoninvertingAmplifying(10) PairedOAOutput(11) MSEL GAIN 000110 NSELNMUXEN InvertingAmplifying(00)Follower(01) NoninvertingAmplifying(10) PairedOAOutput(11) MSEL GAIN 000110 NSELNMUXEN 图11.智能模拟组合级联示例
2 14 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated ZHCA931–May2018 智能模拟组合互连配置 图12显示了SAC级联示例2的示波器波形。
通道1是第一级SAC的输入信号。
通道2是第一级SAC的输出信号。
通道3是第二级SAC的输出。
如图12所示，输入信号在有反相的情况下放大两次。
在反相放大两次后，输出信号与输入信号具有相同的相位，且其幅度是输入信号幅度的4倍。
第一级放大器将信号放大2倍，第二级放大器也将信号放大2倍。
图12.智能模拟组合级联波形2 3.2智能模拟组合与其他外设的互连 除了两个SAC模块之间的互连外，MSP430MCU还支持SAC与其他外设之间的灵活互连。
如2.5节所述，内部共享基准和计时器输出端连接到SAC内置DAC。
内部共享基准可用作DAC电压基准，而计时器可用作DAC加载数据的触发源。
除内部共享基准和计时器外，SAC还连接其他外设，如跨阻放大器(TIA)、增强型比较器(eCOMP)和ADC。
外设互连是特定于器件的。
图13显示了MSP430FR2355MCU中的SAC0、SAC2、eCOMP0和ADC12的互连。
SAC0输出端和SAC2输出端连接到两个eCOMP0输入通道。
这样可以比较放大器输出并将模拟输出转换为数字输出，因此为信号调节带来了一些好处。
SAC0输出端也在内部连接到ADC通道A1。
SAC1和SAC3与eCOMP1和ADC之间的互连类似于SAC0和SAC2的互连。
通过MSP430FR2355MCU中的这些互连，无需任何外部组件和外部连接即可实现完整信号链实施。
这种单芯片解决方案有助于节省BOM成本并优化PCB尺寸。
ZHCA931–May2018 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合 15 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated 传感应用中的智能模拟组合用例 P2.0/COMP0.OP1.0/COMP0.0/A0P1.1/OA0O/COMP0.1/A1 P1.3/OA0+/A3P1.2/OA0-/A2 SAC012-bitDAC 00 01 10 + SAC0 –OPA 00 01 10 P3.1/OA2O SAC0PGA eCOMP06-bitDAC P3.3/OA2+P3.2/OA2- SAC212-bitDAC 00 01 10 + SAC2 –OPA 00 01 10 000 001 101 110 + eCOMP0 –Comparator 000 001 101 110 Polarity
Selection ToTimerCapture SAC0PGA 图13.智能模拟组合与eCOMP和ADC的互连 4传感应用中的智能模拟组合用例 4.1在烟雾探测器中使用智能模拟组合 本节介绍如何在真实的传感和测量应用中使用SAC。
烟雾探测器和电流环路是两个应用实例。
图14显示了烟雾探测器应用中的SAC用例。
第一级SAC配置为TIA模式，第二级SAC配置为同相PGA模式。
第一级SAC使用的DAC提供偏置电压，因此可以避免输出摆幅限制。
红外辐射(IR)接收器的输出电流流经TIA，进而将IR接收器的输出电流转换为模拟电压。
该模拟电压由第二级放大器放大，然后由MSP430MCU上的ADC进行测量。
16 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated ZHCA931–May2018 传感应用中的智能模拟组合用例 SAC支持皮安级低漏电输入，可提高电流测量的精度。
为了检测皮安级电流，反馈电阻器R1必须为兆欧级。
利用两个SAC模块的互连，构建这种SAC级联的布局相对简单。
烟雾探测器应用的设计目标是最大限度减小电流消耗。
当IR检测完成时，SAC模块由内部控制寄存器禁用。
当SAC模块关闭时，它们不消耗电流。
为了提高测量精度并避免误报，一些烟雾探测器包含两个不同波长的IR发射器。
MSP430FR2355MCU适用于这种烟雾探测器，原因是该器件集成了四个SAC模块，因此可以在一块芯片上实现双通道IR探测。
烟雾探测器只是IR传感应用中的一种。
有关IR传感的更多详细信息，请参阅《MSP430FR2311微控制器IR反射传感参考设计》。
SAC2 SAC0 C1 R1 OPA Idiode 12-bitDAC OPA TIAMode PGAMode 图14.在烟雾探测器中使用智能模拟组合 4.2在电流环路中使用智能模拟组合 4mA至20mA电流环路是在工业过程监控、控制和自动化应用中远距离将远程传感器信息传输到可编程逻辑控制器的标准。
利用SAC的功能，电流环路应用设计可以实现灵活的模拟配置，同时缩减BOM成本和PCB尺寸。
图15显示了4mA至20mA电流环路应用中的SAC用例。
第一级SAC配置为DAC模式，用作电压发生器。
第二级SAC配置为通用模式，并与外部电阻器和晶体管连接。
第一级SAC的输出端连接到第二级SAC的正输入端。
第二级SAC控制外部晶体管的栅极电压，并将电压输入转换为电流输出。
电流值ILoop由12位DAC输出电压和电阻值决定。
设置R1=99kΩ，R2=100Ω，RIN=100kΩ，然后ILoop通过公式1算出。
I = VDACOUT æ×ç1+ R1 ö÷ = VDACOUT æ×ç1+ 99 kΩö÷ = æDACCODEç ö×25÷mA Loop RIN èR2ø100kΩè100Ωøè212 ø
(1) TI设计《使用MSP430™MCU的智能模拟组合实现的4mA至20mA环路供电式RTD温度变送器参考设计》基于MSP430FR2355MCU，演示了如何在电流环路应用中使用SAC。
SAC3 SAC1 Loop+ 12-bit RIN DAC OPA OPA DACMode I1 ILoop OPAMode R1R2 I2 R3 图15.在电流环路中使用智能模拟组合 Loop- ZHCA931–May2018 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合 17 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated 参考文献 5参考文献
1.《MSP430FR4xx、MSP430FR2xx系列用户指南》
2.《MSP430FR4xx、MSP430FR2xx混合信号微控制器》数据表
3.《单电源运算放大器设计技巧》
4.《适用于MSP430FR2xx_4xx器件的MSP430DriverLib用户指南》
5.《MSP430FR2311微控制器IR反射传感参考设计》
6.《使用MSP430™MCU的智能模拟组合实现的4mA至20mA环路供电式RTD温度变送器参考设计》 18 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated ZHCA931–May2018 重要声明和免责声明 TI均以“原样”提供技术性及可靠性数据（包括数据表）、设计资源（包括参考设计）、应用或其他设计建议、网络工具、安全信息和其他资源，不保证其中不含任何瑕疵，且不做任何明示或暗示的担保，包括但不限于对适销性、适合某特定用途或不侵犯任何第三方知识产权的暗示担保。
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IMPORTANTNOTICE 邮寄地址：上海市浦东新区世纪大道1568号中建大厦32楼，邮政编码：200122Copyright©2019德州仪器半导体技术（上海）有限公司
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MSP430Applications 摘要 运算放大器广泛用于传感和测量应用。MSP430™微控制器(MCU)通过集成智能模拟组合(SAC)提供全信号链实施方案以代替外部运算放大器。
智能模拟组合是一款可配置的模拟外设，包括一个高性能低功耗运算放大器、一个增益高达33的可编程增益放大器(PGA)和一个12位数模转换器(DAC)。
此应用报告说明了如何使用MSP430MCU中的智能模拟组合模块。
说明了智能模拟组合的概念、工作模式、内部连接、基于ROM的驱动程序库和设计注意事项。
此应用报告还给出了智能模拟组合用例并说明了在烟雾探测器和电流环路应用中使用该模块的优势。
内容 1简介
............................................................................................................................
21.1智能模拟组合概念...................................................................................................
21.2单电源放大器设计注意事项........................................................................................31.3智能模拟组合驱动程序库...........................................................................................
4 2智能模拟组合工作模式......................................................................................................
52.1通用模式.............................................................................................................
52.2缓冲模式.............................................................................................................
72.3同相PGA模式......................................................................................................
82.4反相PGA模式......................................................................................................
92.5DAC模式...........................................................................................................
11 3智能模拟组合互连配置.....................................................................................................
133.1智能模拟组合级联.................................................................................................
133.2智能模拟组合与其他外设的互连.................................................................................15 4传感应用中的智能模拟组合用例.........................................................................................164.1在烟雾探测器中使用智能模拟组合..............................................................................164.2在电流环路中使用智能模拟组合.................................................................................17 5参考文献.....................................................................................................................
18 附图目录 1智能模拟组合框图............................................................................................................
32单电源反相放大器............................................................................................................
43单电源同相放大器............................................................................................................
44智能模拟组合通用模式......................................................................................................
55智能模拟组合缓冲模式......................................................................................................
76智能模拟组合同相PGA模式...............................................................................................
87智能模拟组合反相PGA模式...............................................................................................
98智能模拟组合DAC模式...................................................................................................
119智能模拟组合级联示例1..................................................................................................
1310智能模拟组合级联波形1..................................................................................................
1411智能模拟组合级联示例2..................................................................................................
1412智能模拟组合级联波形2..................................................................................................
1513智能模拟组合与eCOMP和ADC的互连...............................................................................16 ZHCA931–May2018 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合1 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated 简介 商标 14在烟雾探测器中使用智能模拟组合.......................................................................................1715在电流环路中使用智能模拟组合..........................................................................................17 MSP430isatrademarkofTexasInstruments.Allothertrademarksarethepropertyoftheirrespectiveowners. 1简介 各种传感器可以将现实世界中的物理量转换为电信号。
传感器的输出信号通常具有较小的幅度和噪声，因此必须对其进行放大和滤波。
运算放大器是用于放大和滤波等信号调节工作的重要组件。
在信号调节之后，使用模数转换器(ADC)将模拟信号转换为数字信号以供处理器或控制器进行分析。
MSP430MCU为信号链元件提供高度集成的模拟外设，用于传感和测量应用。
在MSP430FR23xx系列MCU中，集成的智能模拟组合是一款重要的差异化模拟外设，包括一个高性能低功耗运算放大器、一个增益高达33的PGA和一个12位数模转换器。
智能模拟组合在一块芯片上提供灵活的模拟配置，可缩减BOM成本和PCB尺寸。
此应用报告讨论了如何使用MSP430MCU中的智能模拟组合。
报告中介绍了工作原理、工作模式、内部连接、基于ROM的驱动程序库、设计注意事项和应用用例。
1.1智能模拟组合概念 智能模拟组合模块包括一个可编程增益放大器(PGA)和一个12位数模转换器(DAC)。
该模块可用于输入路径中的信号调节和输出路径中的波形生成。
智能模拟组合有三种不同的配置级别：SAC-L1、SAC-L2和SAC-L3。
•SAC-L1是最小功能集，仅集成了运算放大器。
•SAC-L2包含运算放大器和反馈电阻梯，可构成增益高达33的PGA。
•SAC-L3是最大功能集，集成了SAC-L2PGA和12位DAC。
不同的MSP430MCU具有不同的智能模拟组合配置级别。
例如，MSP430FR2311集成了一个SAC-L1模块，而MSP430FR2355集成了四个SAC-L3模块。
有关特定MCU上的智能模拟组合配置级别和数量，请参阅特定器件数据表。
图1显示了SAC-L3模块的框图。
该集成式放大器支持轨至轨输入和轨至轨输出。
两个内部多路复用器支持运算放大器(OA)的多个输入选择。
运算放大器功率模式(OAPM)控制位用于选择OA功率模式。
在高功率模式下，OA提供更高的增益带宽和压摆率。
如果在应用中降低功耗更为重要，请通过将OAPM位设置为1来选择OA低功率模式。
反馈电阻梯将OA输出与负输入相连作为反馈路线。
借助反馈路线，OA支持反相PGA模式和同相PGA模式。
SAC-L3模块中还集成了12位DAC。
该DAC可用于为OA产生偏置电压，或者可与OA一起用于驱动焊盘上的波形输出。
2 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated ZHCA931–May2018 Tootherperipheralsreference SeedetailsinthesectionofSACDAC 12-bitReferenceDAC PSELPMUXEN 000110 OAENOAPMOA InvertingAmplifying(00)Follower(01) NoninvertingAmplifying(10) PairedOAOutput(11) MSEL GAIN 000110 NSELNMUXEN OAx−OAx+ 简介 OAxO FrompairedSACoutput 图
1.智能模拟组合框图 1.2单电源放大器设计注意事项 由于智能模拟组合(SAC)是MSP430MCU中的模拟外设之
一，因此SAC由MSP430MCU上的电源引脚供电。
集成式OA采用单电源设计，具有2V至3.6V的宽电源电压范围。
OA输入端以地为基准。
双电源OA电路设计非常简单，因为OA输入和输出端以电源正常接地的中心点为基准。
单电源OA设计比双电源OA复杂一点，因为单电源OA通常需要某种形式的偏置。
OA输入和输出电压必须在其两个电源轨内。
SAC不支持负电压输入和输出。
当SAC处于反相放大器模式时，正输入端的偏置对于避免削波失真至关重要。
图2显示了在反相模式下工作的单电源放大器的典型电路。
VREF和电阻分压器用于产生偏置电压，而带有内置基准的SACDAC12可替代外部基准和电阻分压器。
借助SAC反馈电阻梯，图2中的电路用一个SAC即可实现，无需任何外部组件。
ZHCA931–May2018 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合
3 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated 简介 图
2.单电源反相放大器 当SAC处于同相放大器模式时，如果输入信号的直流分量很小，则允许放大直流分量和交流分量。
如果输入信号包含相对较大的直流分量而其交流分量较小，则放大较小交流分量需要高增益，但使用高增益放大直流分量会导致放大器失真。
在负电压输入端增加偏置可以通过降低共模输入电压来解决这一问题。
图3显示了在同相模式下工作的单电源放大器的典型电路。
与反相放大器电路类似，同相放大器也可以用SAC实现，无需外部组件。
不同之处在于需要两个SAC模块，因为DAC只能连接到OA的正输入端，而第二个SAC工作在DAC模式下以便向OA负输入端产生偏置电压。
有关单电源放大器的更多详细信息和设计注意事项，请参阅《单电源运算放大器设计技巧》。
图
3.单电源同相放大器 1.3智能模拟组合驱动程序库 所有MSP430FRAMMCU均支持一个驱动程序库(DriverLib)以帮助用户加速固件开发。
MSP430驱动程序库是一个易于使用的高级抽象编程接口，通过为每个外设提供简单的函数调用，让用户完全控制MSP430硬件寄存器的位和字节。
这有助于用户减少学习时间，而将更多时间用于进行MSP430MCU的相关创新。
有些MSP430MCU（如MSP430FR2355）包含一个完全集成在ROM存储器中的完整外设驱动程序库。
开发人员可以利用基于ROM的驱动程序库获得更多好处，包括在更高的CPU时钟频率下执行单周期ROM，并为其他应用程序代码节省FRAM空间。
SAC模块有超过20个API函数可用。
这些API函数可用于初始化SAC、启用SAC、禁用SAC、设置SAC工作模式、配置DAC、选择DAC基准、选择功率模式等等。
每个API函数都经过全面测试并有完善的文档说明。
基于FRAM的驱动程序库是完全开源的，可以帮助开发人员了解抽象层下面发生的情况。
开发人员可以通过将驱动程序库头文件添加到其项目中并链接到属性库来访问基于ROM的API。
此应用报告说明了如何将SAC与驱动程序库结合使用。
有关SACAPI函数的更多信息，请参阅《适用于MSP430FR2xx_4xx器件的MSP430DriverLib用户指南》。
4 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated ZHCA931–May2018 2智能模拟组合工作模式 智能模拟组合工作模式 2.1通用模式 图4显示了SAC通用模式的配置。
在此模式下，OAx+和OAx-是专用信号输入端。
如图4中的红色突出显示部分所示，不使用内部DAC和反馈电阻梯。
在通用模式下使用SAC没有限制，它与使用外部单电源运算放大器相同。
可以使用SAC和外部组件组成各种不同的电路，如反相放大器、同相放大器、滤波器，等等。
通常必须添加偏置和反馈电阻器。
外部组件和连接决定了电路类型。
从外部放大器电路迁移到通用模式的集成SAC很方便。
与外部放大器相比，SAC在具有相同电路类型的同时可以缩减BOM成本和PCB尺寸。
当SAC未使用时，可以通过MSP430MCU中的控制寄存器来将其禁用，从而达到省电目的。
SAC-L1仅支持通用模式，不包含DAC和反馈电阻梯。
OAx− OAx+ PSELPMUXEN OAENOAPM 0012-bit Reference 01 DAC10 +OA − OAxO InvertingAmplifying(00)Follower(01) NoninvertingAmplifying(10) PairedOAOutput(11) 000110 NSELNMUXEN MSEL GAIN 图
4.智能模拟组合通用模式 要将SAC配置为通用模式，必须在SACOA控制寄存器SACxOA中设置SACEN、OAEN、PMUXEN和NMUXEN位。
PSEL和NSEL位也位于SACxOA寄存器中，默认情况下，它们配置为选择外部引脚作为OA输入端。
OAPM位用于选择高速或低速模式。
高速模式可支持更高的增益带宽和压摆率，但代价是功耗更高。
Example1显示了使用驱动程序库API函数将SAC配置为通用模式的一个代码序列。
必须在配置SAC模块之前选择引脚功能作为SAC功能，但此示例代码未包含引脚功能设置。
不同的MSP430MCU具有不同的引脚定义（有关详细信息，请参阅数据表）。
ZHCA931–May2018 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合
5 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated 智能模拟组合工作模式 Example1.智能模拟组合通用模式的代码示例
6 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated ZHCA931–May2018 2.2缓冲模式 智能模拟组合工作模式 图5显示了SAC缓冲模式。
缓冲器是单位增益，也称为电压跟随器。
电压跟随器通常用于解决阻抗匹配问题，提高输出驱动强度，并将高精度电路与高功率电路隔离。
如图5中的红色突出显示部分所示，信号输入来自正端口、外部焊盘或SAC缓冲模式下的OA。
OA的输出端与电阻梯隔离，且PGAMSEL设置为悬空状态。
OA可以输出到外部引脚或内部输出到配对的OA。
要将SAC配置为缓冲模式，NSEL位必须选择PGA源作为负输入(NSEL=01b)，且MSEL位必须选择缓冲模式(MSEL=01b)。
Example2显示了使用驱动程序库API函数将SAC配置为缓冲模式的一个代码序列。
OAx− OAx+ PSELPMUXEN OAENOAPM 0012-bit Reference 01 DAC10 +OA − OAxO InvertingAmplifying(00)Follower(01) 000110 NSELNMUXEN NoninvertingAmplifying(10) PairedOAOutput(11) MSEL GAIN 图
5.智能模拟组合缓冲模式 Example2.智能模拟组合缓冲模式的代码示例 ZHCA931–May2018 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合
7 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated 智能模拟组合工作模式 2.3同相PGA模式 图6显示了SAC的同相PGA模式。
在这种模式下，无需反相即可放大信号。
这对于不允许负电压的单电源放大器很有用。
内部的可配置电阻梯决定放大器增益，无需外部反馈。
从1x到33x，有8种不同的增益设置。
OAx− OAx+ PSELPMUXEN OAENOAPM 0012-bit Reference 01 DAC10 +OA − OAxO InvertingAmplifying(00)Follower(01) NoninvertingAmplifying(10) PairedOAOutput(11) 000110 NSELNMUXEN MSEL GAIN 图
6.智能模拟组合同相PGA模式 如图6中的红色突出显示部分所示，可从正端口OAx+或配对的OA选择信号输入。
OA负端口必须选择PGA输入(NSEL=01b)，且PGAMSEL设置为接地(MSEL=10b)。
SAC增益由SACxPGA控制寄存器中的GAIN位进行配置。
Example3显示了使用驱动程序库API函数将SAC配置为同相PGA模式的一个代码序列。
Example3.智能模拟组合同相PGA模式的代码示例
8 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated ZHCA931–May2018 2.4反相PGA模式 智能模拟组合工作模式 图7显示了SAC的反相PGA模式。
在这种模式下，可以通过反相放大信号。
由于在使用SAC期间不允许负电压，因此SAC反相PGA模式必须具有偏置。
偏置电压可由外部电路或内部12位DAC产生。
图7中的红色突出显示部分显示了使用内部DAC在OA正输入端产生偏置电压的用例。
通常情况下，偏置电压是电源电压的一半。
信号输入来自外部引脚OAx-或内部配对的OA。
OAx− OAx+ PSELPMUXEN OAENOAPM 0012-bit Reference 01 DAC10 +OA − OAxO InvertingAmplifying(00)Follower(01) NoninvertingAmplifying(10) PairedOAOutput(11) 000110 NSELNMUXEN MSEL GAIN 图
7.智能模拟组合反相PGA模式 为了将SAC配置为反相PGA模式，PGAMSEL选择OAx-(MSEL=00b)或配对的OA(MSEL=11b)作为源，且OA负端口必须选择PGA输入(NSEL=01b)。
OA正端口可从外部引脚OAx+或12位DAC中选择。
SAC增益由SACxPGA控制寄存器中的GAIN位进行配置。
Example4显示了使用驱动程序库API函数将SAC配置为反相PGA模式的一个代码序列。
ZHCA931–May2018 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合
9 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated 智能模拟组合工作模式 Example4.智能模拟组合反相PGA模式的代码示例 10 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated ZHCA931–May2018 2.5DAC模式 智能模拟组合工作模式 SAC-L3包含一个12位DAC。
该DAC可用作基准电压，也可与OA和PGA一起用于直接驱动输出焊盘。
使用DAC生成信号并驱动其他电路时，必须将OA配置为缓冲模式以提高驱动强度。
图8中的红色突出显示部分显示了SACDAC模式，在此模式下，必须同时启用12位DAC和内置OA，并将PGAMSEL设置为悬空状态。
OAx− OAx+ PSELPMUXEN OAENOAPM 0012-bit Reference 01 DAC10 +OA − OAxO InvertingAmplifying(00)Follower(01) NoninvertingAmplifying(10) PairedOAOutput(11) 000110 NSELNMUXEN MSEL GAIN 图
8.智能模拟组合DAC模式 Example5显示了使用驱动程序库API函数将SAC配置为DAC模式的一个代码序列。
在此代码中，内部共享基准被选为DAC基准，DAC始终在计时器输出TB2.1的上升沿从DACDAT加载数据。
当DACIE置位时，DAC模块可以产生中断，设置的DACIFG位表示DAC已为新数据做好准备。
DACSREF位选择两个特定于器件的基准。
MSP430FR2355MCU支持内部共享基准和VCC作为DAC基准。
DAC加载数据的触发信号也是特定于器件的，此代码仅显示一种配置，用户可以通过更改API参数来更改配置。
Example5仅显示SAC模块的配置代码。
要使SAC在DAC模式下工作，用户还应该注意其他相关事项，如内部共享基准设置、Timer_B2设置以及中断服务例程。
ZHCA931–May2018 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合 11 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated 智能模拟组合工作模式 Example5.智能模拟组合DAC模式的代码示例 12 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated ZHCA931–May2018 3智能模拟组合互连配置 智能模拟组合互连配置 3.1智能模拟组合级联 模拟电路通常很复杂，需要在一个电路中整合放大、滤波、缓冲等不同功能。
单个放大器无法实现多种要求，因此需要广泛使用放大器级联。
两级级联放大器的一个典型用例是第一级放大器设置为高增益放大器，第二级放大器设置为缓冲器。
通过这种方式，可以实现高增益和高输出驱动强度。
MSP430FR2355通过灵活的互连方式集成了四个SAC模块（SAC0、SAC1、SAC2和SAC3）。
SAC0与SAC2配对，而SAC1与SAC3配对。
SAC0输出端连接到SAC2正和负输入端。
SAC2输出端连接到SAC0正和负输入端。
SAC1和SAC3的互连类似于SAC0和SAC2的互连。
通过MSP430MCU的内部连接，级联的SAC模块可以配置为多种工作模式，并且还可简化电路板布局。
图9显示了一个包含两个级联同相放大器的示例。
第一个OA的同相输出端在内部连接到第二个OA的同相正输入端，方法是选择配对的OA输出端作为正输入端(PSEL=10b)。
12-bitReferenceDAC InvertingAmplifying(00)Follower(01) NoninvertingAmplifying(10) PairedOAOutput(11) MSEL=10 GAIN PSEL=00 PMUXEN=
1 000110 000110 NSEL=01 NMUXEN=
1 OAENOAPM =
1 =
1 +OA0 − OA0−OA0+ OA0O 12-bitReferenceDAC InvertingAmplifying(00)Follower(01) NoninvertingAmplifying(10) PairedOAOutput(11) MSEL=10 GAIN 图
9.智能模拟组合级联示例
1 PSEL=10 PMUXEN=
1 000110 000110 NSEL=01 NMUXEN=
1 OAENOAPM =
1 =
1 +OA2 − OA2−OA2+ OA2O ZHCA931–May2018 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合 13 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated 智能模拟组合互连配置 图10显示了SAC级联示例1的示波器波形。
通道1是第一级SAC的输入信号。
通道2是第一级SAC的输出信号。
通道3是第二级SAC的输出。
如图10所示，输入信号在无反相的情况下放大两次。
第一级放大器将信号放大3倍，第二级放大器将信号放大2倍。
总增益为
6。
图10.智能模拟组合级联波形
1 图11显示了另一个包含两个级联反相放大器的示例。
第一个反相OA的输出端在内部连接到第二个反相OA的电阻梯作为负输入端。
通过将SACPGA模式设置为级联OA反相模式(MSEL=11b)，可以实现此配置。
OAx− OAx− OAx+ OAx+ PSELPMUXEN OAENOAPM PSELPMUXEN OAENOAPM 0012-bit Reference 01 DAC10 +OA − OAxO 0012-bit Reference 01 DAC10 +OA − OAxO InvertingAmplifying(00)Follower(01) NoninvertingAmplifying(10) PairedOAOutput(11) MSEL GAIN 000110 NSELNMUXEN InvertingAmplifying(00)Follower(01) NoninvertingAmplifying(10) PairedOAOutput(11) MSEL GAIN 000110 NSELNMUXEN 图11.智能模拟组合级联示例
2 14 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated ZHCA931–May2018 智能模拟组合互连配置 图12显示了SAC级联示例2的示波器波形。
通道1是第一级SAC的输入信号。
通道2是第一级SAC的输出信号。
通道3是第二级SAC的输出。
如图12所示，输入信号在有反相的情况下放大两次。
在反相放大两次后，输出信号与输入信号具有相同的相位，且其幅度是输入信号幅度的4倍。
第一级放大器将信号放大2倍，第二级放大器也将信号放大2倍。
图12.智能模拟组合级联波形2 3.2智能模拟组合与其他外设的互连 除了两个SAC模块之间的互连外，MSP430MCU还支持SAC与其他外设之间的灵活互连。
如2.5节所述，内部共享基准和计时器输出端连接到SAC内置DAC。
内部共享基准可用作DAC电压基准，而计时器可用作DAC加载数据的触发源。
除内部共享基准和计时器外，SAC还连接其他外设，如跨阻放大器(TIA)、增强型比较器(eCOMP)和ADC。
外设互连是特定于器件的。
图13显示了MSP430FR2355MCU中的SAC0、SAC2、eCOMP0和ADC12的互连。
SAC0输出端和SAC2输出端连接到两个eCOMP0输入通道。
这样可以比较放大器输出并将模拟输出转换为数字输出，因此为信号调节带来了一些好处。
SAC0输出端也在内部连接到ADC通道A1。
SAC1和SAC3与eCOMP1和ADC之间的互连类似于SAC0和SAC2的互连。
通过MSP430FR2355MCU中的这些互连，无需任何外部组件和外部连接即可实现完整信号链实施。
这种单芯片解决方案有助于节省BOM成本并优化PCB尺寸。
ZHCA931–May2018 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合 15 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated 传感应用中的智能模拟组合用例 P2.0/COMP0.OP1.0/COMP0.0/A0P1.1/OA0O/COMP0.1/A1 P1.3/OA0+/A3P1.2/OA0-/A2 SAC012-bitDAC 00 01 10 + SAC0 –OPA 00 01 10 P3.1/OA2O SAC0PGA eCOMP06-bitDAC P3.3/OA2+P3.2/OA2- SAC212-bitDAC 00 01 10 + SAC2 –OPA 00 01 10 000 001 101 110 + eCOMP0 –Comparator 000 001 101 110 Polarity
Selection ToTimerCapture SAC0PGA 图13.智能模拟组合与eCOMP和ADC的互连 4传感应用中的智能模拟组合用例 4.1在烟雾探测器中使用智能模拟组合 本节介绍如何在真实的传感和测量应用中使用SAC。
烟雾探测器和电流环路是两个应用实例。
图14显示了烟雾探测器应用中的SAC用例。
第一级SAC配置为TIA模式，第二级SAC配置为同相PGA模式。
第一级SAC使用的DAC提供偏置电压，因此可以避免输出摆幅限制。
红外辐射(IR)接收器的输出电流流经TIA，进而将IR接收器的输出电流转换为模拟电压。
该模拟电压由第二级放大器放大，然后由MSP430MCU上的ADC进行测量。
16 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated ZHCA931–May2018 传感应用中的智能模拟组合用例 SAC支持皮安级低漏电输入，可提高电流测量的精度。
为了检测皮安级电流，反馈电阻器R1必须为兆欧级。
利用两个SAC模块的互连，构建这种SAC级联的布局相对简单。
烟雾探测器应用的设计目标是最大限度减小电流消耗。
当IR检测完成时，SAC模块由内部控制寄存器禁用。
当SAC模块关闭时，它们不消耗电流。
为了提高测量精度并避免误报，一些烟雾探测器包含两个不同波长的IR发射器。
MSP430FR2355MCU适用于这种烟雾探测器，原因是该器件集成了四个SAC模块，因此可以在一块芯片上实现双通道IR探测。
烟雾探测器只是IR传感应用中的一种。
有关IR传感的更多详细信息，请参阅《MSP430FR2311微控制器IR反射传感参考设计》。
SAC2 SAC0 C1 R1 OPA Idiode 12-bitDAC OPA TIAMode PGAMode 图14.在烟雾探测器中使用智能模拟组合 4.2在电流环路中使用智能模拟组合 4mA至20mA电流环路是在工业过程监控、控制和自动化应用中远距离将远程传感器信息传输到可编程逻辑控制器的标准。
利用SAC的功能，电流环路应用设计可以实现灵活的模拟配置，同时缩减BOM成本和PCB尺寸。
图15显示了4mA至20mA电流环路应用中的SAC用例。
第一级SAC配置为DAC模式，用作电压发生器。
第二级SAC配置为通用模式，并与外部电阻器和晶体管连接。
第一级SAC的输出端连接到第二级SAC的正输入端。
第二级SAC控制外部晶体管的栅极电压，并将电压输入转换为电流输出。
电流值ILoop由12位DAC输出电压和电阻值决定。
设置R1=99kΩ，R2=100Ω，RIN=100kΩ，然后ILoop通过公式1算出。
I = VDACOUT æ×ç1+ R1 ö÷ = VDACOUT æ×ç1+ 99 kΩö÷ = æDACCODEç ö×25÷mA Loop RIN èR2ø100kΩè100Ωøè212 ø
(1) TI设计《使用MSP430™MCU的智能模拟组合实现的4mA至20mA环路供电式RTD温度变送器参考设计》基于MSP430FR2355MCU，演示了如何在电流环路应用中使用SAC。
SAC3 SAC1 Loop+ 12-bit RIN DAC OPA OPA DACMode I1 ILoop OPAMode R1R2 I2 R3 图15.在电流环路中使用智能模拟组合 Loop- ZHCA931–May2018 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合 17 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated 参考文献 5参考文献
1.《MSP430FR4xx、MSP430FR2xx系列用户指南》
2.《MSP430FR4xx、MSP430FR2xx混合信号微控制器》数据表
3.《单电源运算放大器设计技巧》
4.《适用于MSP430FR2xx_4xx器件的MSP430DriverLib用户指南》
5.《MSP430FR2311微控制器IR反射传感参考设计》
6.《使用MSP430™MCU的智能模拟组合实现的4mA至20mA环路供电式RTD温度变送器参考设计》 18 如何使用MSP430™MCU中的智能模拟组合 SLAA833—/sc/techlit/SLAA833版权©2018,TexasInstrumentsIncorporated ZHCA931–May2018 重要声明和免责声明 TI均以“原样”提供技术性及可靠性数据（包括数据表）、设计资源（包括参考设计）、应用或其他设计建议、网络工具、安全信息和其他资源，不保证其中不含任何瑕疵，且不做任何明示或暗示的担保，包括但不限于对适销性、适合某特定用途或不侵犯任何第三方知识产权的暗示担保。
所述资源可供专业开发人员应用TI产品进行设计使用。
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(1)针对您的应用选择合适的TI产品；
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TI所提供产品均受TI的销售条款()以及上或随附TI产品提供的其他可适用条款的约束。
TI提供所述资源并不扩展或以其他方式更改TI针对TI产品所发布的可适用的担保范围或担保免责声明。
IMPORTANTNOTICE 邮寄地址：上海市浦东新区世纪大道1568号中建大厦32楼，邮政编码：200122Copyright©2019德州仪器半导体技术（上海）有限公司 重要声明和免责声明 TI均以“原样”提供技术性及可靠性数据（包括数据表）、设计资源（包括参考设计）、应用或其他设计建议、网络工具、安全信息和其他资源，不保证其中不含任何瑕疵，且不做任何明示或暗示的担保，包括但不限于对适销性、适合某特定用途或不侵犯任何第三方知识产权的暗示担保。
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