Component - Mixer V1.80 Datasheet (Chinese).pdf

PSoC® Creator™ 组件数据手册
混频器
1.80
特性
ƒ 单端混频器
ƒ 连续时间上变频混频:
‰ 输入频率高达 500 kHz
‰ 采样时钟高达 1 MHz
ƒ
离散时间、采样与保持下变频混频:
‰ 输入频率高达 14 kHz
‰ 采样时钟高达 4 MHz
ƒ
ƒ
可调功耗设置
可选参考电压
概述
该混频器组件提供了一个单端调制器。通过使用固定的本地振荡器 (LO) 信号作为采样时钟,混频
器组件可以用于输入信号的频率转换。混频器所执行的信号频率操作可以用于在频带之间移动信
号,或编码和解码信号。混频器用于将一个频率的信号功率转换到另一个频率的信号功率,从而
使信号处理更加容易,通常从高频段转移到基带。使用片外滤波器过滤所需信号的谐波,可以获
得更好的混频器输出。另外,通过内部布线(routing),输出还可用来驱动片上 ADC。该组件提供
两种配置:
ƒ
ƒ
上变频混频器,连续时间平衡混频器,作为开关型乘法器工作。
下变频混频器,离散时间、采样与保持混频器。
该组件接受两个在不同频段的信号作为混频信号的输入,混频信号的输出包括输入信号与本地振
荡器信号的和频(sum)和差频信号。通常,输出信号中不需要的频率成分可以通过滤波器去除。几
个示例说明了混频器在不同模式下的操作。
上变频混频器:LO 频率大于信号频率
显示 100-kHz 正弦波输入,受 1.0-MHz 本地振荡器调制。
Cypress Semiconductor Corporation • 198 Champion Court • San Jose, CA 95134-1709 • 408-943-2600
Document Number: 001-79579 Rev**
Revised May 22, 2012
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混频器
4
Input
LO
Output
3
Amplitude
2
1
0
-1
-2
-3
0
µs
10
20
40
30
上变频混频器是一个乘法器。当信号频率处于 FSIG,时钟处于 FLO 时,上变频混频器生成一个调
制信号,它是输入信号与 LO 的乘积。由于 LO 为方波,包含所需信号的所有谐波,输出具有波形
1
sin( 2πFLO t )
n
n =odd
FMOD ( t ) = sin( 2πFSIG )
FMOD ( t ) =
1
2
∑
∑ [cos(2π(nF
LO
− FSIG )) − cos(2π(nFLO + FSIG ))]
在此情况下,预计的输出频率为 FLO + FSIG 和 FLO – FSIG,如以下 FFT 所示。
0
Input
Amplitude (dB)
-20
LO
Output
-40
-60
-80
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Frequency (MHz)
如果需要特定的边带,例如,FLO + FSIG,那么不需要的边带将通过使用板上运算放大器组成的有
源 RC 滤波器滤除。还可以使用混频器输出波形数字化后的滤波器组件。
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混频器
上变频混频器:LO 频率小于信号频率
显示输入频率为 455 kHz 和 430 kHz 的 LO 产生 25 kHz 的标定输出。在 25 kHz 正弦波是显而易
见的,但并不明显,出现 455 kHz 与 430 kHz 的和频信号具有相同的强度。
4
Input
LO
3
Output
Amplitude
2
1
0
-1
-2
-3
0
20
40
µs
60
100
80
这些波形的 FFT 清楚地表明,输入在 455 kHz,差频信号输出在 25 kHz,而输入与一次 LO 谐波
的和频信号输出在 885 kHz。在一次谐波和频输出之下出现的是 3 × FLO – FSIG 输出项或
835 kHz。该模式在 3 × FLO + FSIG 下面的 5 × FLO -FSIG 重复出现。在这些众所周知频谱线之间
各种“填充”是 FFT 的 函数, 窗口计算过程和采样过程的 sin(x)/x 特性。这些信号的外观可能是
不同的,取决于所用频谱分析仪的类型(扫描频谱与 FFT)。
Amplitude (dB)
0
Input
-10
LO
-20
Output
-30
-40
-50
-60
-70
-80
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Frequency (MHz)
下变频混频器:LO 接近于 FSIG
当 LO 频率接近于信号频率时,相比乘法混频器,采样混频器具有优势。时域图显示很少有混频器
的高频谐波分量。在采样速率 LO 的步骤是显而易见的。LO 可以高于或低于信号频率,但
LO > FSIG 频率分布为恰好与 LO < FSIG 频率分布相反。
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混频器
5
Input
4
LO
Output
3
Amplitude
2
1
0
-1
-2
-3
-4
0
20
40
µs
60
80
100
混频乘积项与 Sin(x)/x 是相关的,因此当采样频率 (LO) 接近于信号频率时,‘x’接近于 π。这些
项与乘法混频器的 1/n 谐波特性截然不同。生成的谐波分量非常低,这意味着高次谐波项很容易
过滤和去除。
信号与 LO 之间的差频在 FFT 中显示清晰。接近于信号频率的混频乘积项比乘法混频器的略高,
但所有高次谐波项也很大。
0
-10
Input
LO
-20
Output
Amplitude (dB)
-30
-40
-50
-60
-70
-80
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Frequency (MHz)
当 LO 频率高于 FSIG ÷ 2 或低于 FSIG × 1.5,混频乘积项分量较大,混频器失去实际效用,很难
从混频乘积项中分离所需差频信号。
下变频混频器:LO 频率低于 FSIG/2
这称为二次采样(subsampling)混频器。当 LO 频率小于 1/2 信号频率时,主输出频率为
FSIG – n × FLO,其中‘n’为最大整数,它是 n × FLO 小于 FSIG。FSIG = 455 kHz 和
FLO = 143.3 kHz (= 430 kHz ÷ 3) 的波形显示主输出频率为 25 kHz。与高频 LO 相比,
该波形是“粗糙”,然而在信号采样频率较高时,输出频率与其相同。
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混频器
5
Input
LO
4
Output
3
Amplitude
2
1
0
-1
-2
-3
-4
0
20
40
µs
60
80
100
二次采样混频器的优点是保持在允许的输入信号频率范围。通常用 4 作为二次采样因子,这样
13.57-MHz 频率可以采用 3.2 MHz 频率采样,以生成 770 kHz 的主输出频率。
Amplitude (dB)
0
-10
Input
-20
LO
Output
-30
-40
-50
-60
-70
-80
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Frequency (MHz)
过采样(oversampling)混频器(例如,FSIG = 455 kHz 和 LO = 820 kHz)导致混频器乘积项类似于
乘法混频器的乘积项。这些乘积项可能更难从所需波形中滤出。
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混频器
输入/输出连接
本节介绍混频器组件的输入和输出连接。在 I/O 说明中列出的条件下,I/O 列表名单上的星号 (*)
表示该 I/O 可以隐藏在符号中。
Fin — 模拟
Fin 为输入信号端。Fin 信号与本地振荡器时钟信号混频生成 Fout 信号。Fin 频率限制如下:
ƒ
ƒ
乘法(上变频)混频器
Fin < 500 kHz
采样(下变频)混频器
Fin < 14 MHz
LO — 数字
LO 是本地振荡器信号端。此信号用作混频器的采样时钟。LO 信号与 Fin 信号混频生成 Fout 信
号。对于乘法混频器模式而言,LO 时钟信号必须具有 50% 的占空比。
LO 频率限制如下:
ƒ
ƒ
乘法(上变频)混频器
LO < 1 MHz
采样(下变频)混频器
LO < 4 MHz
Vref — 模拟
Vref 为参考电压的输入端。该参考电压可能是其中一个 PSoC 内部参考源、内部 VDAC 值或外部
信号。
Fout — 模拟
Fout 为输出信号端。Fout 信号是 Fin 和 LO 信号混频操作的结果信号。
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混频器
组件参数
将混频器组件拖入设计中,双击该组件,打开 Configure(配置)对话框。
混频器类型
此参数用来确定混频器 SC/CT 模块的配置模式。该组件支持两种混频器模式:乘法(上变频)混
频器和采样(下变频)混频器。
功耗
这用于设置混频器的初始驱动功耗。功耗决定混频器根据输入信号变化而作出的响应速度。功耗
设置共有四种:最低、低、中(默认值)和高。低功耗设置导致最慢响应时间;高功耗设置则导
致最快响应时间。
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混频器
LO 频率设置
混频器可以连接到组件外部时钟源(外部 LO),或自己可配置的(内部 LO)。如果 LO 是外部
信号,必须提供 50%占空比信号给上变频混频器(下变频混频器没有这个要求)。如果 LO 是内
部信号,则组件衍生出占空比为 50% 的所需时钟频率给上变频混频器。这会影响时钟变频器计
算。当改变一个混频器自上变频到下变频,或相反,你需要改变时钟参数,从而保持混频器在上
变频模式下的正常工作。
LO 频率
当 LO 频率设置为内部 LO 时,此参数设置时钟频率。在上变频模式,混频器终端电阻值的切换
取决于工作频率,可以优化其性能。较低的 LO 频率值允许使用较高的内部电阻值,从而产生更
好的调制器性能。
当 LO 源设置为外部 LO 时,必须在外部时钟中设置频率(无论时钟源或数字模块源)。
资源
API 存储器
(字节)
数字模块
模拟模块
数据通道
Macro
cells
(宏单
元)
1 个 SC/CT 固
定模块
不可用
不可用
Status
Registers
(状态寄存
器)
Control
Registers
(控制寄
存器)
Counter7
(计数器
7)
Flash
(闪存)
RAM
引脚(每个
外部 I/O)
不可用
不可用
不可用
297
2
4
混频器使用一个 SC/CT 模块。
应用程序编程接口
应用程序编程接口 (API) 子程序允许你使用软件配置组件。下表列出各个子程序,并提供简要的功
能描述。后面章节更详细地介绍每个函数。
默认情况下,PSoC Creator 将实例名称“Mixer_1”分配给指定设计中组件的第一个实例。你可
以将其重命名为遵循标识符语法规则的任何值。实例名称成为关联组件的每个全局函数名称、变
量和常量符号的前缀。出于可读性考虑,下表中使用的实例名称为“Mixer”。
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混频器
函数
说明
Mixer_Start()
混频器上电。
Mixer_Stop()
混频器断电。
Mixer_SetPower()
将驱动功耗设置为四个等级中的一个。
Mixer_Sleep()
停止并保存用户配置。
Mixer_Wakeup()
恢复并启用用户配置。
Mixer_Init()
初始化或恢复默认的混频器配置。
Mixer_Enable()
使能混频器。
Mixer_SaveConfig()
空函数。供将来使用。
Mixer_RestoreConfig()
空函数。供将来使用。
全局变量
变量
Mixer_initVar
说明
表示混频器是否已初始化。变量初始化为 0,并在第一次调用 Mixer_Start() 时设置为 1。这样,
第一次调用 Mixer_Start() 子程序后,组件不用重新初始化即可重启。
如果需要重新初始化组件,那么在调用 Mixer_Start() 或 Mixer_Enable() 函数前,调用
Mixer_Init() 函数。
void Mixer_Start(void)
说明:
执行组件所有必需的初始化,并开启模块电源。第一次执行子程序时,针对设计中选择的工作
模式配置输入和反馈电阻值。在调用 Mixer_Stop() 之后重启混频器,当前组件的参数设置会
保留。
参数:
None(无)
Return Value
(返回值):
None(无)
Side Effects
(副作用):
None(无)
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混频器
void Mixer_Stop(void)
说明:
关闭混频器模块。
参数:
None(无)
Return Value
(返回值):
None(无)
Side Effects
(副作用):
不影响混频器类型或功耗设置。
void Mixer_SetPower(uint8 power)
说明:
将驱动功耗设置为四种设置之一:最低、低、中等或高。
参数:
uint8 power:有关有效功耗设置,请参见下表。
功耗设置
注
Mixer_MINPOWER
最低功耗和最慢反应时间
Mixer_LOWPOWER
低功耗和速度
Mixer_MEDPOWER
中等功耗和速度
Mixer_HIGHPOWER
最高功耗和最快反应时间
Return Value
(返回值):
None(无)
Side Effects
(副作用):
None(无)
void Mixer_Sleep(void)
说明:
这是准备组件进入睡眠选用的API。Mixer_Sleep() API 保存当前组件状态。随后调用
Mixer_Stop() 函数和调用 Mixer_SaveConfig() 以保存硬件配置。
调用 CyPmSleep() 或 CyPmHibernate() 函数前调用 Mixer_Sleep() 函数。有关电源管理功能
的详细信息,请参考 PSoC Creator System Reference Guide(《系统参考指南》)。
参数:
None(无)
Return Value
(返回值):
None(无)
Side Effects
(副作用):
None(无)
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混频器
void Mixer_Wakeup(void)
说明:
这是用来将组件恢复到调用 Mixer_Sleep() 时状态的选用API。Mixer_Wakeup() 函数调用
Mixer_RestoreConfig() 函数来恢复该配置。如果在调用 Mixer_Sleep() 前启用该组件,则
Mixer_Wakeup() 函数还将重新启用该组件。
参数:
None(无)
Return Value
(返回值):
None(无)
Side Effects
(副作用):
如果调用 Mixer_Wakeup() 函数前未调用 Mixer_Sleep() 或 Mixer_SaveConfig() 函数,可能会
产生意想不到的行为。
void Mixer_Init(void)
说明:
根据定制的“配置”对话框设置来初始化或恢复组件。无需调用 Mixer_Init(),因为
Mixer_Start() API 会调用此函数,这是开始组件操作的选用方法。
参数:
None(无)
Return Value
(返回值):
None(无)
Side Effects
(副作用):
根据定制的“配置”对话框,将设置所有寄存器的值。
void Mixer_Enable(void)
说明:
激活硬件并开始组件的操作。无需调用 Mixer_Enable(),因为 Mixer_Start() API 会调用此函
数,这是开始组件操作的选用方法。
参数:
None(无)
Return Value
(返回值):
None(无)
Side Effects
(副作用):
None(无)
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混频器
void Mixer_SaveConfig(void)
说明:
空函数。供将来使用。
参数:
None(无)
Return Value
(返回值):
None(无)
Side Effects
(副作用):
None(无)
void Mixer_RestoreConfig(void)
说明:
空函数。供将来使用。
参数:
None(无)
Return Value
(返回值):
None(无)
Side Effects
(副作用):
None(无)
固件源代码示例
PSoC Creator 提供了许多示例项目,包括在“Find Example Project (查找示例项目)”对话框中
的原理图和代码示例。对于特定的组件示例,请打开组件目录中的对话框或原理图中的组件实
例。对于通用的示例,请打开 Start Page(开始页)或 File(文件)菜单中的对话框。根据需
要,使用对话框中的 Filter Options(滤波器选项)可缩小可选项目的列表。
有关更多信息,请参见 PSoC Creator 帮助中的“Find Example Project(查找示例项目)”主
题。
功能描述
使用 PSoC SC/CT 模块实现混频器功能。使用开关电容模式实现离散时间下变频混频器。乘法
(上变频)混频器使用连续时间模块模式。
离散时间下变频混频器
离散时间混频器内部配置原理图如图 1 所示。
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混频器
图 1. 离散时间采样与保持混频器原理图
通过在两个电容器之间切换积分电容来实现非归零采样与保持功能。在图 1 中,C1 或 C4 始终采
样输入信号,而另一个在放大器上进行积分。Fin 信号进行采样的频率低于 FIN 信号频率。配置混
频器组件 使得FOUT 在输入时钟上升沿积分为新值。
当 LO 采样时钟频率大于 1/2 FIN 信号频率时,输出为输入频率与 LO 频率之差,再加上混叠分
量。当采样时钟频率小于 1/2 FIN 信号频率时,输出为输入频率减去 LO 频率最大整数的倍数(它
小于 FIN 信号频率)之差。
对于指定的输入载波频率 FIN,采样 LO 时钟频率,可以选择 FCLK 为系统提供所需输出频率
FOUT。
假定 FCLK 小于 4 MHz,FIN 小于 14 MHz:
如果
2N − 1
FCLK < FIN < N × FCLK ,
2
则
FOUT = N × FCLK − FI N
公式 1
如果
N × FCLK < FIN <
2N + 1
FCLK ,
2
则
FOUT = FIN − N × FCLK
公式 2
公式 1 和公式 2 可以概括为:
FOUT = abs(N × FCLK − FIN )
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公式 3
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混频器
连续时间上变频混频器
连续时间混频器内部配置原理图如图 2 所示。
图 2. 连续时间混频器配置原理图
在此模式下,运算放大器配置为 PGA,从而可以使用 LO 输入信号在反相 PGA 增益 1 与非反相
单位增益缓冲器之间来回切换。输出信号包括频率分量 FCLK ± FIN 加上 LO 频率奇数谐波 ± 输入
信号频率:3 × FCLK ± FIN,5 × FCLK ± FIN,7 × FCLK ± FIN 等。
FOUT = N × FCLK ± FIN
N 保持奇数值
公式 4
频率规划
需要适当的频率规划以实现所需的 FOUT。在设置范围资源中谨慎控制时钟。
PSoC 3 直流和交流电气特性
下列值表示期望的性能,它们基于初始特性数据。除非下表中另外指定,否则条件均全部为:
TA = 25 °C, VDD = 5.0 V、功耗 = 高、运算放大器偏压 = 低、输出基准电压 = 1.024 V。
混频器直流规范
参数
VOS
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说明
条件
最小值
典型
值
最大值
单位
输入偏移电压
–
–
10
mV
静态电流
–
0.9
2
mA
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混频器
混频器交流规范
参数
说明
条件
最小值
典型
值
最大值
单位
FLO
本地振荡器频率
下变频混频器模式
–
–
4
MHz
FIN
输入信号频率
下变频混频器模式
–
–
14
MHz
FLO
本地振荡器频率
上变频混频器模式
–
–
1
MHz
FIN
输入信号频率
上变频混频器模式
–
–
1
MHz
SR
转换速率(slew rate)
3
–
–
V/µs
PSoC 5 直流和交流电气特性
下列值表示期望的性能,它们基于初始特性数据。除非下表中另外指定,否则条件均全部为:
TA = 25 °C, VDD = 5.0 V、功耗 = 高、运算放大器偏压 = 低、输出基准电压 = 1.024 V。
混频器直流规范
参数
VOS
G
说明
条件
最小值
典型
值
最大值
单位
输入偏移电压
–
–
26
mV
静态电流
–
0.9
2
mA
增益
–
0
–
dB
最小值
典型
值
最大值
混频器交流规范
参数
说明
条件
单位
FLO
本地振荡器频率
下变频混频器模式
–
–
4
MHz
FIN
输入信号频率
下变频混频器模式
–
–
14
MHz
FLO
本地振荡器频率
上变频混频器模式
–
–
1
MHz
FIN
输入信号频率
上变频混频器模式
–
–
1
MHz
SR
转换速率
3
–
–
V/µs
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混频器
组件更改
本节列出与以前版本相比组件的主要更改。
版本
1.80
更改说明
更改/影响原因
更新定制避免配置窗口标签和不同的 DPI 在旧版本的混频器中,标签与文本发生交叠。
设置控制相互交叠。
更新定制以防止用户输入无效的 LO 和信 当提供无效的 LO 和信号频率时,定制程序不响应用户输
号频率值。
入。
1.70
PSoC 5 的 ADC_Stop() API 变更。
当配合 PSoC 5 使用时,为防止组件停止时影响无关模拟信
号,所需的更改。
混频器响应 GUI 实现
指导用户了解混频器的性能。
向数据手册中添加了 PSoC 5 特性数据
1.60
从组件定制程序中删除了 VDDA 参数
组件中的 VDDA 设置对于多个组件而言冗余且没有必要。
此参数删除后,组件会查询 DWR 中最低 VDDA 的全局设
置,并且在必要时自动启用泵。
添加了 GUI 配置编辑器
以前的配置窗口没有提供足够的易于使用的信息。
LO - 正确启用本机振荡器
在该组件以前的版本中,本机振荡器未能正确启用。
向数据手册中添加了特性数据
对数据表进行了少量编辑和更新
1.50
添加了睡眠/唤醒和初始化/启用 API。
为支持低功耗模式并提供常用接口,以单独控制大多数组件
的初始化和启用。
更新了符号和 Configure(配置)对话
框。
为符合公司标准。
© 赛普拉斯半导体公司,2012。此处所包含的信息如有更改,恕不另行通知。除赛普拉斯产品的内嵌电路之外,赛普拉斯半导体公司不对任何其他电路的使用承担任何责任。也不根据专利或其他
权利以明示或暗示的方式授予任何许可。除非与赛普拉斯签订明确的书面协议,否则赛普拉斯产品不保证能够用于或适用于医疗、生命支持、救生、关键控制或安全应用领域。此外,对于可能发
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