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概述 SiPM读出测试系统目前已经迭代到了第四和第五代，未来还会向第六代、第七代演进。四代与五代迭代目的是为了选择合适的比较器，原型验证不比AISC设计，只能从当前市场上寻找并选择合适的比较器，然而，当前市面上适合使用的高速比较器产品较少。 比较器的选型，后面再讨论，本文开始初步说明比较器检测脉冲的即便原理，即基于前一篇《四代SiPM读出系统规划及基于SiPM的PET概览》有关时间涨落起伏说起。 高速比较器工作原理简述 高速比较器工作原理基于差分放大器与输出级组合，通过输入信号与参考电压的比较来控制输出信号的状态。差分放大器是电压比较器的核心部分，它由一个差动放大电路构成。差分放大器有两个输入端口（正输入端口和负输入端口），分别输入两个待比较的电压信号VIN+和VIN-。 而对于SiPM读出测试系统，比较器用于模拟脉冲的快速检出。所以模拟信号被引入到比较器的正输入端口，而参考电压则引入比较器的负输入端口（如果是检测负极性脉冲，也可以反过来连接）。图1中虚线展示的是参考阈值（从比较器负输入端口接入），而实线三角脉冲（从比较器正输入端口接入）则演示了待测模拟脉冲。实际测试的时候，由于可能需要依据情况调整参考电压，所以参考阈值一般由高精度DAC控制。 模拟脉冲检出后，比较器输出级会产生并输出标准的矩形方波，该标准的矩形方波可以方便后续TDC对其上升沿到达时间的测量。 图1：比较器工作原理演示 SiPM(MPPC)对光信号的探测 如图2所示，SiPM可以对多个光子同时检测输出单一的电信号。所以比较器处理的输入模拟脉冲来自于多个光子源，也即信号内部可以看出多个光子元素合并而成的单个模拟脉冲，如图3所示，展示了不同光子数电荷经过转换后对应的能量或幅度值。滨松对此有了详细解释，SiPM（MPPC）由多个工作在盖革模式的APD串联淬灭电阻组成。首先，APD（Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管）是一种具有高速度、高灵敏度的光电二极管，当加有一定的反向偏压后，它就能对光电流进行雪崩放大。光生载流子通过倍增就会产生一个大的光脉冲，而通过对这个脉冲的检测，就可以检测到单光子。将盖革模式下的APD上连接一个淬灭电阻作为1个像素，就构成了MPPC的基本单元，而它输出的总和也构成了MPPC的输出，后则根据该输出进行光子计数或者信号强度的测量。 图2：SPPC与MPPC的差异 图3：MPPC输出信号（pe这里滨松给出的解释是“光子等效”） 实际测量的时候参考阈值的设置对于脉冲检出来说并无特殊要求，但是为了获得最佳的CRT（Coincidence Resolving Time）（也称为CTR，Coincidence Time Resolution），如图1展示的，需要将参考阈值设置的越低越好。图3为滨松公司测量得到不同光子数量，SiPM测量输出的脉冲信号，而图4则为SST实际SiPM读出测试系统比较器实际检测输入并给出输出方波。 SST已经在三代SiPM读出测试系统中开展了符合测试，表1结果则是在六代读出系统测量并记录的结果。表1第一列是不同的参考阈值设定值，第二列是不同参考阈值对应的CTR测量结果代码。测试条件SiPM的偏置电压是42.46V，测量结果代码由TDC直接给出的时间戳在离线统计两个读出测试板的时间差的FWHM得来。TDC的平均LSB为7.8ps，所以表1中最佳CTR值为298ps。 表1：不同参考阈值下测量得到的CTR码 参考阈值设置 Vbias=42.46V, VBE=1.6V 20mV 89 10mV 63 4mV 45.37 2mV 39.48 1.8mV 39.259 1.5mV 39.0222 1.2mV 38.252 0.9mV 64.88 从表1的结果，可以明显看出，阈值越低，CRT的结果越好，在1.2mV的时候获得了最优结果。继续降低阈值到0.9mV测量结果急剧变差，这是由于阈值水平已经触及到了待测信号的噪声基线，特别是SiPM的暗脉冲此时被大量检出。 图4：实测比较器的输出与输入信号 参考 Development of Multi-Channel Fast SiPM Readout Electronics for Clinical TOF PET Detector MAXIM, Dual ECL and Dual/Quad PECL, 500ps, Ultra-High-Speed Comparators

运算放大器 的输入共模电压范围（CMVR）的常见定义是反相和非反相输入电压的平均电压。这对于运算放大器而言是可接受的，因为它们使用的是负反馈，且输入之间的差异通常保持在1 mV以内。 然而，对于比较器而言，具有如此接近的输入电压值是非常罕见的。在比较器的大多数范例中，其输入引脚之间会存在很大的差异。虽然两个输入的平均值可能在共模范围内，但比较器的其中一个输入的值可能会超过输入范围规格。 以一个输入电压限值为3.5V的比较器为例。一个输入为4V直流信号，而另一个为2V直流信号。在运算放大器的定义下，该输入是有效的且平均值为3V。然而，这对比较器而言属于不在规格范围内，因为两个输入电压都必须低于3.5V，且4V信号跳出了输入范围规格。 比较器的绝对最大输入电压范围规定了当输入电压超过规定的输入工作范围时，输入电压未造成损坏且无法保证性能的电压范围。 总之，输入共模电压范围规定了每个输入的电压范围，以保证器件能够正常工作。请勿取比较器输入电压的“平均值”。 来源：digikey.cn

555定时器产生方波原理（四款555定时器产生方波的电路详解） - 555集成电路大全 电路图简介： 本文主要介绍了555定时器产生方波原理（五款555定时器产生方波的电路详解）。555定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为VCC/3。在单稳态工作模式下，555定时器作为单次触发脉冲发生器工作。 1、555定时器原理分析 555定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制RS触发器和 放电管 的状态。在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则 电压比较器 C1的同相输入端的电压为2 VCC /3，C2的反相输入端的电压为VCC/3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为低电平。 555引脚 引脚功能 单稳态模式： 在单稳态工作模式下，555定时器作为单次触发脉冲发生器工作。当触发输入电压降至VCC的1/3时开始输出脉冲。输出的脉宽取决于由定时 电阻 与电容组成的RC网络的时间常数。当电容电压升至VCC的2/3时输出脉冲停止。根据实际需要可通过改变RC网络的时间常数来调节脉宽。 输出脉宽t，即电容电压充至VCC的2/3所需要的时间由下式给出： 虽然一般认为当电容电压充至VCC的2/3时电容通过OC门瞬间放电，但是实际上放电完毕仍需要一段时间，这一段时间被称为弛豫时间。在实际应用中，触发源的周期必须要大于弛豫时间与脉宽之和（实际上在工程应用中是远大于）。 双稳态模式： 双稳态工作模式下的555芯片类似基本RS触发器。在这一模式下，触发引脚（引脚2）和复位引脚（引脚4）通过上拉电阻接至高电平，阈值引脚（引脚6）被直接接地，控制引脚（引脚5）通过小电容（0.01到0.1F）接地，放电引脚（引脚7）浮空。所以当引脚2输入高电压时输出置位，当引脚4接地时输出复位。 无稳态模式： 无稳态工作模式下555定时器可输出连续的特定频率的方波。电阻R1接在VCC与放电引脚（引脚7）之间，另一个电阻（R2）接在引脚7与触发引脚（引脚2）之间，引脚2与阈值引脚（引脚6）短接。工作时电容通过R1与R2充电至2/3VCC，然后输出电压翻转，电容通过R2放电至1/3VCC，之后电容重新充电，输出电压再次翻转。 无稳态模式下555定时器输出波形的频率由R1、R2与C决定： 对于双极型555而言，若使用很小的R1会造成OC门在放电时达到饱和，使输出波形的低电平时间远大于上面计算的结果。 为获得占空比小于50%的矩形波，可以通过给R2并联一个二极管实现。这一二极管在充电时导通，短路R2，使得电源仅通过R1为电容充电；而在放电时截止以达到减小充电时间降低占空比的效果。 2、555定时器产生方波原理电路图解555定时器产生方波原理（一）：占空比可调的方波发生器 CB555定时器的工作原理可列表说明： 空比可调的方波 信号发生器 电路图 图 利用CB555定时器设计方波电路原理图 占空比可调的方波信号发生器分析如图2所示，电路只要一加上电压VDD， 振荡器 便起振。刚通电时，由于C上的电压不能突变，即2脚电位的起始电平为低电位，使555置位，3脚呈高电平。C通过AR、D1对其充电，充电时间CRtA7.0充。买电子元器件现货上唯样商城。压充到阈值电平2/3VDD时，555复位，3脚转呈低电平，此时C通过Dl、RB、555内部的放电管放电，放电时间CRtB7.0放。则振荡周期为放充ttT。 555定时器产生方波原理（二）：555定时器的方波发生器 这是一个无线电信号线路和电视的最有用的方波发生器项目。方波是最适合用于测试信号的中频（IF）地带，将通过中频 变压器 没有任何衰减，不管是什么电路的调谐频率。555TImer是配置非稳态运行，这意味着它将触发本身作为一个 多谐振荡器 自由运行。计时元件电阻R1，R2和电容器（C1-6）在此图中显示的值，产生的六个频率1Hz的，10HZ，100HZ，1KHZ，如果你想产生一个可变频率10kHz到100kHz您可以用一个100K的迷你系列10K电阻微调电位连接，68K电阻。这方波振荡器的电子项目，可提供5至18伏直流输出电压从电源供电，但通常建议使用9伏直流电源。 （本文来源网友上传，如有侵权，可联系管理员删除）

使用C2000内部比较器替外部比较器 C2000系列芯片在数字电源和电机控制中有着广泛的应用，在这些应用中，过流过压保护是必不可少的。传统的方法是使用外部比较器，但是会存在滤波电路不好设计，不同版本需要不同的BOM来提供不同的保护点等问题。本文针对所有第三代C2000芯片，比如F2807x/37x，F28004x，F28002x等，介绍C2000内部比较器的具体实践方法，并提供了与传统的外部比较器方法的比较，结果表明，使用C2000内部比较器的方法在效率和成本上都具备明显的优势。 1. 介绍 C2000系列芯片在数字电源和电机控制中有着广泛的应用，在这些应用中，过流过压保护是必不可少的。传统的方法是使用外部比较器，但是会存在滤波电路不好设计，不同版本需要不同的BOM来提供不同的保护点等问题。本文针对所有第三代C2000芯片，比如F2807x/37x，F28004x，F28002x等，介绍C2000内部比较器的具体实践方法，并提供了与传统的外部比较器方法的比较，结果表明，使用C2000内部比较器的方法在效率和成本上都具备明显的优势。 2. C2000 内部比较器的介绍 TI 第三代C2000芯片全系列集成了带DAC的片内比较器，通过DAC设定阈值，与采样信号分别送到片内比较器的正负输入端做比较，由于DAC的集成，用户可以方便地修改比较的电压值。同时，C2000比较器内部集成数字 滤波器 ，可以实现高性能的滤波。生成保护信号给到PWM模块封锁PWM输出，从而实现快速的过流过压保护，无需额外再加比较器和基准电压。另外，C2000内部的比较器响应速度快，以F280049 为例（可参考datasheet上Comparator Electrical Characteristics这一章节），从比较器输入的电平异常到比较器产生输出信号，延迟最多60ns, 而通用比较器的延迟一般要1us左右，使用与C2000内部比较器相似规格的比较器成本又会比较高。 比较器子系统 (C MPS S) 模块由 模拟比较器 和支持组件组成它们组合成一种拓扑结构，可用于功率应用，例如峰值电流模式控制，开关电源、功率因数校正和电压跳闸监控。 每个CMPSS 模块包括两个模拟比较器、两个可编程 12 位DAC、一个斜坡发生器和两个数字滤波器。CMPSS有两个输出，一个是C TRI PH，送到芯片内部，可以和PWM模块同步，配合使用。一个是 CTR IPOUTH，可以通过OUTPUTXBAR 送到外部GPIO和系统其他模块搭配使用。简化的示意图如图1所示： 图1 比较器子系统 (CMPSS)简图 3. 比较器滞回功能的使用 为了避免噪声波动引起的比较器输出的反复跳变，我们一般都会配置滞回比较。 C2000比较器的滞环是可以设定的，COMPHYSCTL的COMPHYS位可以设定滞环的环宽，当环宽设定为0时也就意味着没有滞环。注意在规格书中，滞环的单位是LSB，所以它和CMPSS模块内部的DAC的参考有关。如果内部DAC的 参考电压 是3V，1LSB对应3V/4096=0.7mV。 以F28004x，F2807x，F2837x为例，其滞环可以在12LSB, 24LSB, 36LSB, 48LSB中选择。具体可以在datasheet的电气参数中看到。 CMPSS内部DAC的参考可以看TRM (Technical Reference Manual) 中关于参考的介绍，可以在VDDA和VDAC中选择： 设置滞回的寄存器是COMPHYS, 设置滞回也可以调用driverlib中的函数CMPSS_setHysteresis(uint32_t base, uint16_t value)。设置值和滞回环宽的关系可以看具体型号C2000的Technical Reference Manual中寄存器的解释。 4. 数字滤波器的使用 当外部输入的滤波电路设计不当时，会导致比较器被误触发的情况，C2000内部比较器还集成了可配置的数字滤波器，CMPSS数字滤波器的时钟来源是系统时钟, 预分频(CLKPRESCALE)决定了滤波器的采样率，滤波器的FIFO在每个分频后时钟采样一次。数字滤波器在从输入端采集的FIFO采样(SAMPWIN)窗口上工作。滤波器输出为采样窗口内的多数值，其中多数由阈值(THRESH)定义。如果不满足阈值，则滤波器输出保持不变。具体的工作逻辑可以参考TRM(Technical Reference Manual)的Digital filter behavior，如图2。 这里以F280049为例，需要注意的是，THRESH的值必须被设置为大于SAMPWIN/2并且小于或等于SAMPWIN。同时，FIFO中的旧数据将被丢弃。在用寄存器配置的情况下，对于SAMPWIN、THRESH和CLKPRESCALE，数字滤波器使用的内部数字在所有情况下都是+1。也就是说，samples=SAMPWIN+1，threshold=THRESH+1，pre scale=CLKPRESCALE+1。 图2 比较器滤波子模块功能 也可以用driverlib函数配置，即在函数中配置相应的分频值，采样窗和阈值。 Void CMPSS_configFilterHigh(uint32_t base, uint16_t samplePrescale, uint16_t sampleWindow, uint16_t threshold); Void CMPSS_configFilterLow(uint32_t base, uint16_t samplePrescale, uint16_t sampleWindow, uint16_t threshold); 5. 利用锁存模式和外部模块配合使用 CMPSS可以很方便地和PWM等其他内部外设配合使用，但是有些应用中，也需要把内部比较器的信号锁存起来，比如传给外部的IPM模块等。CMPSS也支持这种模式，用户可选择穿透模式，和锁存(Latch)模式，在锁存模式下，可以将瞬间的过压过流给到外部，保护外部的模块不被损坏。 同时，也可以在比较器的输出源中选择通过或门的锁存信号，也就是高低两个寄存器的COM PCT L.CTRIPOUTLSEL和用COMPCTL.CTRIPOUTHSEL ，第三个输入选项就是经过滤波器后的锁存信号，也可以选择0-异步模式或是和1- CPU 时钟同步，或是2-经过滤波器但是不锁存的信号，具体选项和对应关系，可以参考图3。 同样的，也可以用Driverlib函数配置，在void CMPSS_configOutputsHigh(uint32_t base, uint16_t config)和void CMPSS_configOutputsLow(uint32_t base, uint16_t config)函数里面的config增加一个参数CMPSS_TRIPOUT_L ATC H即可，TRIPOUT代表是将这个信号通过OUTPUTXBAR送到芯片外部GPIO。 图3 比较器子系统完整信号框图 6. 和PWM配合使用的实际应用 传统的保护方式是使用外部比较器，本文介绍的使用C2000内部的窗口比较器（ADC与比较器pin 脚共用）的方式，可以节省物料成本和布板空间。具体配置方法如下(完整代码参考TIDM-02002 针对 HEV/EV 车载充电器的双向 CLLLC 谐振、双有源电桥 (DAB) 参考设计)： 第一步，选择合适的CMPSS输入的脚，查看TRM 的Table 15-2. Analog Pins and Internal Connections，并通过CMPSS的DAC 子模块，配置合适的值; 这边需要注意，比较器模块的高低比较器的Positive input必须是外部AIO引脚，negative input 可以说DAC 的输出或外部AIO引脚。 // set CMPSS H and L Positive input pins ASysCtl_selectCMPHPMux(CLLLC_IPRIM_CMPSS_ASYSCTRL_CMPHPMUX, CLLLC_IPRIM_CMPSS_ASYSCTRL_MUX_VALUE); ASysCtl_selectCMPLPMux(CLLLC_IPRIM_CMPSS_ASYSCTRL_CMPLPMUX, CLLLC_IPRIM_CMPSS_ASYSCTRL_MUX_VALUE); // set DAC H and L values CMPSS_setDACValueHigh(CLLLC_ISEC_TANK_CMPSS_BASE, CLLLC_ISEC_TANK_DACHVAL); CMPSS_setDACValueLow(CLLLC_ISEC_TANK_CMPSS_BASE, CLLLC_ISEC_TANK_DACLVAL); 第二步，配置输出，通过XBAR 将CMPSS的高和低两个比较器的结果，映射到XBAR_TRIP5和XBAR_TRIP7; XBAR_setEPWMMuxConfig(XBAR_TRIP5, CLLLC_IPRIM_TANK_H_PWM_XBAR_MUX_VAL); XBAR_enableEPWMMux(XBAR_TRIP5, CLLLC_IPRIM_TANK_H_XBAR_MUX); XBAR_setEPWMMuxConfig(XBAR_TRIP7, CLLLC_IPRIM_TANK_L_PWM_XBAR_MUX_VAL); XBAR_enableEPWMMux(XBAR_TRIP7, CLLLC_IPRIM_TANK_L_XBAR_MUX); 第三步，PWM trip配置，将XBAR_TRIP5和XBAR_TRIP7分别配置给Digital Trip Event A2和B2, 当输出为高时，可以触发PWM动作。 7. 总结 在本文中，我们讨论了通过 C2000内部集成的模拟比较器功能，在增加系统功能的同时减少外部组件的需求，同时提供了更多的数字编程控制的灵活性，这种实现还可以帮助节省成本和电路板空间，本文还通过几个具体案例详细介绍了集成模拟比较器的使用方法。更多相关应用、硬件和软件的示例，请参阅 TI 官网提供的C2000 开发工具 、应用手册、设计指南、硬件原理图和软件示例。 参考文献 TMS320F28002x Real-Time Microcontrollers Technical Reference Manual (Rev. A) TMS320F28004x Real-Time Microcontrollers Technical Reference Manual (Rev. D) Design Guide: TIDM-02002 Bidirectional CLLLC Resonant Dual Active Bridge (DAB) Reference Design for HEV/EV Onboard Charger 来源：TI 作者：Emma Wang 松下汽车类6轴单芯片MEMS惯性传感器，提高车载系统的安全性和舒适性 据麦姆斯咨询介绍，在当下的“万物电气化（electrification of everything）”时代，传感器已成为一个必不可少的先决条件：汽车、巴士、摩托车、无人送货车、建筑机械和许多其它车辆配备越来越多的传感器，以实现安全且舒适的辅助驾驶/自动驾驶。全面的感知能力对于支持运动检测、定位、导航、数据融合等许多用途至关重要。 为此， 松下 机电（ Panasonic Industry）开发出汽车类6轴MEMS惯性 传感器 系列，即MEMS惯性测量单元（IMU），该系列产品通过单芯片解决方案面向车载领域的功能安全（ISO26262）为车身稳定控制、ADAS和自动驾驶等系统提供惯性感知功能，并且符合ASIL-B(D)标准，具有高水平的功能安全性及自诊断功能。 松下汽车类6轴MEMS惯性传感器 松下汽车类6轴MEMS惯性传感器用例 过去用于车载系统的惯性传感器，其角速度和加速度的感测元件是由多颗芯片构成的，因此面临因角速度和加速度的轴偏离而影响输出精度的问题。松下推出的新型高质量、高可靠的6轴MEMS惯性传感器系列，也称为“6合1传感器”，单颗芯片集成了3轴MEMS陀螺仪和3轴MEMS加速度计，即利用基于单芯片MEMS技术实现高6轴正交性（轴间正交性≦0.01°），为提高车载系统的安全性能和设计自由度做出贡献。 松下汽车类6轴MEMS惯性传感器采用单芯片解决方案 松下汽车类6轴MEMS惯性传感器采用 电容 式MEMS感测技术，通过 晶圆 级封装使得盖帽、MEMS和ASIC形成一体，实现了小型化的6轴惯性传感器，封装尺寸为4.5 mm x 4.5 mm x 1.1 mm。由此，为车载系统的综合化和车载ECU的小型化做出了贡献。 松下汽车类6轴MEMS惯性传感器剖面图 该惯性传感器封装形式为可润湿侧翼QFN。松下借助凹痕加工技术，使得这种封装外壳引脚的侧面能够形成可目视的焊脚。由此，通过焊脚的目视检查，即可确认引脚是否已被正常地焊接到基板的焊盘上。这可以实现高质量焊接，从而实现无差错装配，这对于汽车安全性、舒适性，以及 工业应用 都至关重要。 惯性传感器封装引脚凹痕加工示意图 贴装完后的惯性传感器外观示意图 松下汽车类6轴MEMS惯性传感器的一个关键用途是可以在剧烈振动的情况下（例如当汽车突然冲出道路时）检测车辆的运动状况，然后利用传感器数据来调整马达的扭矩和制动力，以实现安全的车辆状态。 该6轴惯性传感器还成功实施了与汽车安全相关的雷达（RADAR）/激光雷达（LiDAR）应用。通常，雷达/激光雷达会出现安装偏移，例如在车辆工厂组装和经销商运输过程中。因此需要工厂或经销商对此类安装偏移进行校准，使其不影响雷达/激光雷达的探测方向或被探测物体在3D地图中的位置精度。为此，工厂或经销商在静止情况下使用3轴加速度计进行倾斜检测以测量安装偏移，并且在运动情况时，还会使用3轴陀螺仪来测量偏移。 雷达/激光雷达可以搭配6轴惯性传感器以获得姿态（横滚、俯仰和偏航）及地理坐标信息，助力自动驾驶汽车实现更加安全的导航和定位功能。对于扫描周期较长的激光雷达等传感器，车载系统需要将上一个周期检测到的周围环境3D点云与当前周期检测到的3D点云进行比较。通过使用来自6轴惯性传感器的车辆运动数据，可以减少匹配上一个周期的3D点云和当前周期的3D点云的计算量。 在汽车行驶时，6轴惯性传感器能够动态地检测道路的起伏，车载系统根据传感器数据可修正雷达/激光雷达照射位置或探测到的物体在地图上的位置。尤其是在GNSS（全球导航卫星系统）信号被阻挡时（例如隧道中），基于惯性传感器的航位推算（DR）可以计算出当前车辆的位置，保证连续定位、稳健驾驶。 买电子元器件现货上唯样商城 除了这些与汽车安全相关的应用之外，该6轴惯性传感器还成功地应用于AR-HUD（增强现实抬头显示）系统等舒适性应用。在这个用例中，惯性传感器检测车辆的运动，并可以使用“AR.markers”调整AR-HUD光束的位置，以便驾驶员以最佳方式观看。另一个与舒适性相关的应用是主动悬架系统，其通过惯性传感器采集车辆姿态信息，经过主动悬架控制器计算，向四轮减震器输出软硬不同的阻尼控制，最后通过控制四个减震器内部的 电磁阀 来动态调整悬架软硬。 松下目前正在进行不同实施状态的多个项目，推动商业应用领域也使用6轴惯性传感器。例如，自动驾驶巴士可以借助6轴惯性传感器来计算车辆是否在预定义的路径上。自主叉车受益于6轴惯性传感器提供的安全性和舒适性——例如防止货物从叉车上掉落。这些也适用于其它“即将实现自主运行”的机械——例如割草机、铁路列车或压实机。

使用C2000内部比较器替外部比较器 C2000系列芯片在数字电源和电机控制中有着广泛的应用，在这些应用中，过流过压保护是必不可少的。传统的方法是使用外部比较器，但是会存在滤波电路不好设计，不同版本需要不同的BOM来提供不同的保护点等问题。本文针对所有第三代C2000芯片，比如F2807x/37x，F28004x，F28002x等，介绍C2000内部比较器的具体实践方法，并提供了与传统的外部比较器方法的比较，结果表明，使用C2000内部比较器的方法在效率和成本上都具备明显的优势。 1. 介绍 C2000系列芯片在数字电源和电机控制中有着广泛的应用，在这些应用中，过流过压保护是必不可少的。传统的方法是使用外部比较器，但是会存在滤波电路不好设计，不同版本需要不同的BOM来提供不同的保护点等问题。本文针对所有第三代C2000芯片，比如F2807x/37x，F28004x，F28002x等，介绍C2000内部比较器的具体实践方法，并提供了与传统的外部比较器方法的比较，结果表明，使用C2000内部比较器的方法在效率和成本上都具备明显的优势。 2. C2000 内部比较器的介绍 TI 第三代C2000芯片全系列集成了带DAC的片内比较器，通过DAC设定阈值，与采样信号分别送到片内比较器的正负输入端做比较，由于DAC的集成，用户可以方便地修改比较的电压值。同时，C2000比较器内部集成数字 滤波器 ，可以实现高性能的滤波。生成保护信号给到PWM模块封锁PWM输出，从而实现快速的过流过压保护，无需额外再加比较器和基准电压。另外，C2000内部的比较器响应速度快，以F280049 为例（可参考datasheet上Comparator Electrical Characteristics这一章节），从比较器输入的电平异常到比较器产生输出信号，延迟最多60ns, 而通用比较器的延迟一般要1us左右，使用与C2000内部比较器相似规格的比较器成本又会比较高。 比较器子系统 (C MPS S) 模块由 模拟比较器 和支持组件组成它们组合成一种拓扑结构，可用于功率应用，例如峰值电流模式控制，开关电源、功率因数校正和电压跳闸监控。 每个CMPSS 模块包括两个模拟比较器、两个可编程 12 位DAC、一个斜坡发生器和两个数字滤波器。CMPSS有两个输出，一个是C TRI PH，送到芯片内部，可以和PWM模块同步，配合使用。一个是 CTR IPOUTH，可以通过OUTPUTXBAR 送到外部GPIO和系统其他模块搭配使用。简化的示意图如图1所示： 图1 比较器子系统 (CMPSS)简图 3. 比较器滞回功能的使用 为了避免噪声波动引起的比较器输出的反复跳变，我们一般都会配置滞回比较。 C2000比较器的滞环是可以设定的，COMPHYSCTL的COMPHYS位可以设定滞环的环宽，当环宽设定为0时也就意味着没有滞环。注意在规格书中，滞环的单位是LSB，所以它和CMPSS模块内部的DAC的参考有关。如果内部DAC的 参考电压 是3V，1LSB对应3V/4096=0.7mV。 以F28004x，F2807x，F2837x为例，其滞环可以在12LSB, 24LSB, 36LSB, 48LSB中选择。具体可以在datasheet的电气参数中看到。 CMPSS内部DAC的参考可以看TRM (Technical Reference Manual) 中关于参考的介绍，可以在VDDA和VDAC中选择： 设置滞回的寄存器是COMPHYS, 设置滞回也可以调用driverlib中的函数CMPSS_setHysteresis(uint32_t base, uint16_t value)。设置值和滞回环宽的关系可以看具体型号C2000的Technical Reference Manual中寄存器的解释。 4. 数字滤波器的使用 当外部输入的滤波电路设计不当时，会导致比较器被误触发的情况，C2000内部比较器还集成了可配置的数字滤波器，CMPSS数字滤波器的时钟来源是系统时钟, 预分频(CLKPRESCALE)决定了滤波器的采样率，滤波器的FIFO在每个分频后时钟采样一次。数字滤波器在从输入端采集的FIFO采样(SAMPWIN)窗口上工作。滤波器输出为采样窗口内的多数值，其中多数由阈值(THRESH)定义。如果不满足阈值，则滤波器输出保持不变。具体的工作逻辑可以参考TRM(Technical Reference Manual)的Digital filter behavior，如图2。 这里以F280049为例，需要注意的是，THRESH的值必须被设置为大于SAMPWIN/2并且小于或等于SAMPWIN。同时，FIFO中的旧数据将被丢弃。在用寄存器配置的情况下，对于SAMPWIN、THRESH和CLKPRESCALE，数字滤波器使用的内部数字在所有情况下都是+1。也就是说，samples=SAMPWIN+1，threshold=THRESH+1，pre scale=CLKPRESCALE+1。 图2 比较器滤波子模块功能 也可以用driverlib函数配置，即在函数中配置相应的分频值，采样窗和阈值。 Void CMPSS_configFilterHigh(uint32_t base, uint16_t samplePrescale, uint16_t sampleWindow, uint16_t threshold); Void CMPSS_configFilterLow(uint32_t base, uint16_t samplePrescale, uint16_t sampleWindow, uint16_t threshold); 5. 利用锁存模式和外部模块配合使用 CMPSS可以很方便地和PWM等其他内部外设配合使用，但是有些应用中，也需要把内部比较器的信号锁存起来，比如传给外部的IPM模块等。CMPSS也支持这种模式，用户可选择穿透模式，和锁存(Latch)模式，在锁存模式下，可以将瞬间的过压过流给到外部，保护外部的模块不被损坏。 同时，也可以在比较器的输出源中选择通过或门的锁存信号，也就是高低两个寄存器的COM PCT L.CTRIPOUTLSEL和用COMPCTL.CTRIPOUTHSEL ，第三个输入选项就是经过滤波器后的锁存信号，也可以选择0-异步模式或是和1- CPU 时钟同步，或是2-经过滤波器但是不锁存的信号，具体选项和对应关系，可以参考图3。 同样的，也可以用Driverlib函数配置，在void CMPSS_configOutputsHigh(uint32_t base, uint16_t config)和void CMPSS_configOutputsLow(uint32_t base, uint16_t config)函数里面的config增加一个参数CMPSS_TRIPOUT_L ATC H即可，TRIPOUT代表是将这个信号通过OUTPUTXBAR送到芯片外部GPIO。 图3 比较器子系统完整信号框图 6. 和PWM配合使用的实际应用 传统的保护方式是使用外部比较器，本文介绍的使用C2000内部的窗口比较器（ADC与比较器pin 脚共用）的方式，可以节省物料成本和布板空间。具体配置方法如下(完整代码参考TIDM-02002 买电子元器件现货上唯样商城 针对 HEV/EV 车载充电器的双向 CLLLC 谐振、双有源电桥 (DAB) 参考设计)： 第一步，选择合适的CMPSS输入的脚，查看TRM 的Table 15-2. Analog Pins and Internal Connections，并通过CMPSS的DAC 子模块，配置合适的值; 这边需要注意，比较器模块的高低比较器的Positive input必须是外部AIO引脚，negative input 可以说DAC 的输出或外部AIO引脚。 // set CMPSS H and L Positive input pins ASysCtl_selectCMPHPMux(CLLLC_IPRIM_CMPSS_ASYSCTRL_CMPHPMUX, CLLLC_IPRIM_CMPSS_ASYSCTRL_MUX_VALUE); ASysCtl_selectCMPLPMux(CLLLC_IPRIM_CMPSS_ASYSCTRL_CMPLPMUX, CLLLC_IPRIM_CMPSS_ASYSCTRL_MUX_VALUE); // set DAC H and L values CMPSS_setDACValueHigh(CLLLC_ISEC_TANK_CMPSS_BASE, CLLLC_ISEC_TANK_DACHVAL); CMPSS_setDACValueLow(CLLLC_ISEC_TANK_CMPSS_BASE, CLLLC_ISEC_TANK_DACLVAL); 第二步，配置输出，通过XBAR 将CMPSS的高和低两个比较器的结果，映射到XBAR_TRIP5和XBAR_TRIP7; XBAR_setEPWMMuxConfig(XBAR_TRIP5, CLLLC_IPRIM_TANK_H_PWM_XBAR_MUX_VAL); XBAR_enableEPWMMux(XBAR_TRIP5, CLLLC_IPRIM_TANK_H_XBAR_MUX); XBAR_setEPWMMuxConfig(XBAR_TRIP7, CLLLC_IPRIM_TANK_L_PWM_XBAR_MUX_VAL); XBAR_enableEPWMMux(XBAR_TRIP7, CLLLC_IPRIM_TANK_L_XBAR_MUX); 第三步，PWM trip配置，将XBAR_TRIP5和XBAR_TRIP7分别配置给Digital Trip Event A2和B2, 当输出为高时，可以触发PWM动作。 7. 总结 在本文中，我们讨论了通过 C2000内部集成的模拟比较器功能，在增加系统功能的同时减少外部组件的需求，同时提供了更多的数字编程控制的灵活性，这种实现还可以帮助节省成本和电路板空间，本文还通过几个具体案例详细介绍了集成模拟比较器的使用方法。更多相关应用、硬件和软件的示例，请参阅 TI 官网提供的C2000 开发工具 、应用手册、设计指南、硬件原理图和软件示例。 参考文献 TMS320F28002x Real-Time Microcontrollers Technical Reference Manual (Rev. A) TMS320F28004x Real-Time Microcontrollers Technical Reference Manual (Rev. D) Design Guide: TIDM-02002 Bidirectional CLLLC Resonant Dual Active Bridge (DAB) Reference Design for HEV/EV Onboard Charger 来源：TI 作者：Emma Wang