隨著地球資源日趨減少,,人們越來越需要通過信息尋找節(jié)約資源的方法和途徑,,以至于許多經(jīng)濟(jì)學(xué)家和科學(xué)家將信息視為新概念能源。在眾多信息中,,有一類信息是取自于自然的,,即模擬量,如重量,、壓力,、溫度......為了使這些信息自動進(jìn)入信息系統(tǒng),必須使用各種各樣的傳感器將這些模擬量轉(zhuǎn)換成電壓,,然后通過電壓轉(zhuǎn)換單元(即模數(shù)轉(zhuǎn)換器,,ADC)和微數(shù)據(jù)處理單元實現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)換和傳輸,傳感器,、電壓轉(zhuǎn)換單元,、微數(shù)據(jù)處理單元就像信息系統(tǒng)的“觸角”,這個觸角越發(fā)達(dá),,系統(tǒng)的效率就越高,。
在上述信息系統(tǒng)的“觸角”中,電壓轉(zhuǎn)換單元的技術(shù)性能決定了整個觸角的性能,,成為信息傳遞的瓶頸,,實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換的技術(shù)方案很多,其中一種工作原理稱為Σ-Δ方式的電壓轉(zhuǎn)換器件,。與同等精度的其他方式相比,,其集成度高、功耗低,、體積小,,近年來品種越來越多,應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛,,已經(jīng)成為中,、低速電壓轉(zhuǎn)換器件的主流方式。本文將分析此類ADC轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展趨勢,,并以芯??萍?/a>集成高精度ADC和MCU的SoC產(chǎn)品探討創(chuàng)新產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計思路和技術(shù),。
把握技術(shù)發(fā)展趨勢
Σ-ΔADC成為高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品設(shè)計的主流技術(shù),,通過多年發(fā)展,目前基本上出現(xiàn)以下的產(chǎn)品發(fā)展趨勢:
高增益,、高精度型:為了滿足計量器具,,如電壓表、衡器等的要求,,該型轉(zhuǎn)換器件的分辨力達(dá)24位,,可編程放大器的增益達(dá)128倍,增益溫度漂移系數(shù)不到1ppm/℃,,通過減小噪聲的措施使得低數(shù)據(jù)輸出速率下(3.75—10Hz)的噪聲峰峰值僅55nVp-p,,有效位數(shù)達(dá)到20位以上。其性能可以與各種積分方式(如雙積分,、多積分,、電荷平衡)電路相媲美,而體積更小,、成本更低,,適合更廣泛的應(yīng)用。
高速型:應(yīng)用于動態(tài)測量場合需要有高的輸出速率,,高速Σ-Δ器件在分辨力為24位,,可編程放大器的增益達(dá)128倍時,4.8KHz數(shù)據(jù)輸出速率下的噪聲峰峰值僅2μV,,有效位數(shù)已能達(dá)到15位,。在這個速率下,已不適合積分式轉(zhuǎn)換電路工作,,而與傳統(tǒng)的逐次比較方式相比,,結(jié)構(gòu)工藝簡單、成本低是Σ-Δ器件的優(yōu)勢,。
片上系統(tǒng)型:在實際應(yīng)用中,,電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)與數(shù)據(jù)處理技術(shù)總是緊密結(jié)合的,在一個芯片上將兩者同時制出,,形成所謂“片上系統(tǒng)(或單片系統(tǒng),,簡記為SoC)”,簡化了信息觸角電路的結(jié)構(gòu),,減小了其體積,,降低了成本,,使得大量增加信息系統(tǒng)觸角的技術(shù)方案有了現(xiàn)實的技術(shù)基礎(chǔ),。尤其是片上系統(tǒng)非常適合嵌入到傳感器內(nèi)部,成為一體化的觸角(數(shù)字傳感器),,為將來信息系統(tǒng)的發(fā)展和開辟新構(gòu)架創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件,。
目前市場上最常見的高精度數(shù)據(jù)采集技術(shù)方案可大致分為三個檔次:一是用于0.1%精度水平的以Cirrus logic公司CS5460,、CS5550加通用MCU為基本配置的低端方案;二是用于0.03%精度水平的以TI公司的ADS1130,、ADS1230加通用MCU為基本配置的中端方案,;三是用于0.01%和更高精度水平,以TI公司的ADS1232加通用MCU和cirrus logic的CS5532加通用MCU為基本配置的高端方案,。在低功耗方面,,如果與獨立ADC配對的是價格較低的通用MCU,那么其電路的總功耗總要大于SoC電路的功耗,,如果選用低功耗MCU(如TI公司的MSP430系列)與ADC配對,,那么其價格比較高。傳統(tǒng)的“ADC+MCU”市場在高精度和低功耗方面發(fā)生了分化,,這種分化培育了SoC市場,。
事實上,大約10幾年前已經(jīng)有人將ADC與MCU制作在一個芯片上,,但一直將ADC作為MCU的附加外圍電路供配置選用,,其ADC單元的性能一直不能滿足系統(tǒng)的要求。擁有領(lǐng)先ADC技術(shù)的深圳芯??萍脊菊J(rèn)識到集成高精度ADC的SoC產(chǎn)品方向的發(fā)展?jié)摿?,反客為主,以高增益高精度型ADC為核心,,將MCU作為ADC的后續(xù)處理單元,,推出了專門用于高精度數(shù)據(jù)采集的SoC器件,盡管其中MCU的性能并不突出,,但作為SoC器件,,系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合指標(biāo)明顯優(yōu)于用其他器件構(gòu)成同類系統(tǒng)。
創(chuàng)新設(shè)計實現(xiàn)領(lǐng)先性能優(yōu)勢
除了上述創(chuàng)新產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計思路,,芯??萍嫉母呔?a href="http://forexkbc.com/article/index.aspx?id=23770">數(shù)據(jù)采集SoC產(chǎn)品中還實現(xiàn)了多項技術(shù)上的創(chuàng)新和改進(jìn),從而在產(chǎn)品創(chuàng)新的同時保證了滿足系統(tǒng)應(yīng)用的高性能要求,。主要的技術(shù)創(chuàng)新包括采用高精度Σ-Δ調(diào)制器,、高性能的DSP信號處理模塊和高性能PGA實現(xiàn)方式(已申請相關(guān)專利),等等,。
高精度Σ-Δ調(diào)制器,。高精度ADC,特別是嵌入了處理器的SoC芯片,,噪聲模擬模型非常復(fù)雜,,除了量化噪聲及模擬部分各種器件的熱噪聲、1/f噪聲外,,還有數(shù)字電路隨時鐘節(jié)拍運行時產(chǎn)生的襯底噪聲和電源噪聲,。這些噪聲源都嚴(yán)重地影響了高精度Σ-Δ調(diào)制器的性能,。為此,芯??萍脊炯夹g(shù)專家們在模擬部分設(shè)計時,,充分考慮了這些噪聲的調(diào)制和成型,創(chuàng)新性地使用了四階隨機(jī)斬波Σ-Δ調(diào)制器,。從圖1中可以得到四階Z域的傳輸函數(shù)為:
可以看出,,經(jīng)過這個調(diào)制器后,輸入信號X(Z)沒有什么變化,,僅僅是增加了延遲,,但是量化噪聲被函數(shù)H(Z)=(1-Z-1)4所加權(quán),成為高頻成分,,這個函數(shù)我們稱為噪聲成型函數(shù),。利用調(diào)制器后面的降采樣濾波器,我們可以將高頻部分(基帶以外)的量化噪聲濾除,,這樣我們就得到了信噪聲比極高的量化信號,。
圖1:Casecode結(jié)構(gòu)四階Σ-Δ調(diào)制器Z域模型。
高性能的DSP信號處理模塊,。高精度的ADC除了低噪聲的模擬調(diào)制器外,,高性能的DSP模塊同樣起著至關(guān)重要的作用。這個濾波器,,既要保證足夠高的信噪比,,又要考慮系統(tǒng)對信號的延遲。現(xiàn)在的測量系統(tǒng),,通常都要求“One Cycle Settle”,,即單周期建立。為此,,在此類SoC設(shè)計中采用了先進(jìn)行高速高階濾波器,,再加一階濾波輸出的方式,來同時達(dá)到高的性噪比和高的響應(yīng)速度,。
圖2:基于CSU12xx和CUS10xx系列SoC的電子血壓計,。
高性能PGA實現(xiàn)方式。由于高精度ADC所探測的信號非常微弱,,必須要通過前置放大器對信號進(jìn)行放大,,提高信噪比。前置放大器在放大信號的同時,,自身也會產(chǎn)生噪聲,,并且會限制系統(tǒng)的共模輸入范圍,增加系統(tǒng)成本及功耗,。芯??萍疾捎昧颂赜械牡凸摹⒌驮肼?、低成本PGA實現(xiàn)方式,,設(shè)計出了高性能的SoC方案,大大提高了產(chǎn)品的市場競爭力,。
小結(jié):
基于上述創(chuàng)新設(shè)計思路和技術(shù)的SoC產(chǎn)品如CSU12xx及CSU1101B,,與同類競爭產(chǎn)品相比主要優(yōu)勢特性一是精度高,二是低功耗,?;谶@些優(yōu)勢特性,目前該類多系列的SoC已經(jīng)成功應(yīng)用于包括高性能太陽能自動上位人體秤,、電子血壓計等應(yīng)用,,實現(xiàn)了超過50萬片的累積銷量,成功地幫助芯??萍荚趪鴥?nèi)數(shù)據(jù)采集器件市場占有了一席之地,。