摘要

　　本文介紹用于在低功耗信號(hào)鏈應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)優(yōu)化能效比的精密低功耗信號(hào)鏈解決方案和技術(shù)。本文將介紹功耗調(diào)節(jié),、功率循環(huán)和占空比等用于進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗的技術(shù)（不僅限于選擇低功耗產(chǎn)品,，這有時(shí)并不夠）,。還將探討如何使用通道時(shí)序控制器,、FIFO和電壓監(jiān)控模塊等片內(nèi)特性來簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并在主機(jī)控制器側(cè)和整個(gè)系統(tǒng)層面實(shí)現(xiàn)節(jié)能,。

　　簡(jiǎn)介

　　對(duì)于在幾十年之前的廣告中演奏兔子舞曲的小鼓來說,，最執(zhí)著的事情就是能夠持續(xù)不斷地進(jìn)行演奏。在為現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表（檢測(cè)溫度,、壓力或流量）或遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)測(cè)設(shè)備等應(yīng)用設(shè)計(jì)電池供電的測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，低功耗信號(hào)鏈至關(guān)重要,。甚至對(duì)于主電源供電的系統(tǒng),，也需要最大限度降低環(huán)境影響或能源成本，這促使硬件設(shè)計(jì)人員不斷改善系統(tǒng)的能效比,。低功耗設(shè)計(jì)能夠帶來一些間接性的優(yōu)勢(shì),，比如，如果能夠減少并聯(lián)的電池的數(shù)量,，解決方案的尺寸會(huì)隨之減小,。低功耗設(shè)計(jì)還具有更深層次的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橄到y(tǒng)耗費(fèi)的能量更少,，使得IC芯片的溫度也更低,。這有助于延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。

　　要在短時(shí)間內(nèi)完成低功耗硬件設(shè)計(jì),，從精密低功耗信號(hào)鏈著手會(huì)是一個(gè)非常不錯(cuò)的起點(diǎn),。除了選擇低功耗元件之外，還可以采用多種功率優(yōu)化技術(shù)來進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗,，例如功耗調(diào)節(jié),、功率循環(huán)和占空比。此外,，很多設(shè)計(jì)選項(xiàng),，例如選擇合適的電阻值或使用存儲(chǔ)器也是非常重要的因素，關(guān)乎著能夠?qū)崿F(xiàn)嚴(yán)格的低功耗目標(biāo)和優(yōu)化的電池壽命,。

　　例如,，找出信號(hào)鏈中可以取消的構(gòu)建模塊，或者在達(dá)到某些條件時(shí)會(huì)暫時(shí)斷電的模塊,，會(huì)有助于我們采用低功耗技術(shù),。這需要精準(zhǔn)的時(shí)序分析1, 2，并對(duì)電路操作分級(jí)或調(diào)節(jié)占空比,。如果多個(gè)構(gòu)建模塊多數(shù)時(shí)間都處于閑置狀態(tài),，即可讓這些模塊進(jìn)入關(guān)斷模式或者直接將它們關(guān)閉。注意，與使用關(guān)斷模式相比,，設(shè)備進(jìn)行全功率循環(huán)會(huì)對(duì)功率和時(shí)序產(chǎn)生一些影響,。

　　在正確采用這種時(shí)序之后，可以通過盡可能減少微控制器互動(dòng)來進(jìn)一步改善主系統(tǒng)層級(jí)的功耗,。這就需要使用外部或內(nèi)部存儲(chǔ)器,，以便在主機(jī)控制器被關(guān)斷之后存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

　　在系統(tǒng)層面應(yīng)用節(jié)能技術(shù)會(huì)有一些差異,，具體取決于使用哪種類型的ADC來數(shù)字化傳感器信息,，包括SAR ADC和∑-? DAC，關(guān)于這一點(diǎn)將在后續(xù)章節(jié)中詳細(xì)介紹,。此外,，硬件設(shè)計(jì)選擇，例如數(shù)字通信上拉/下拉電阻,、電阻分壓器和增益設(shè)置電阻等也會(huì)影響整體的信號(hào)鏈功耗,。

　　圖1.SAR ADC信號(hào)鏈中的單通道電壓、電流測(cè)量,。

　　引腳命名會(huì)因設(shè)備而異,。為了保持一致性，我們用AVDD表示模擬電源,，用VIO表示數(shù)字電源,，用VREF表示基準(zhǔn)電壓。

　　基于SAR ADC的信號(hào)鏈的功率優(yōu)化

　　SAR ADC按要求執(zhí)行轉(zhuǎn)換,，也就是說,，在確認(rèn)轉(zhuǎn)換開始（CONVERSION START）命令之后，從采樣模式切換到保持模式3,。轉(zhuǎn)換流程開始,，然后，待該流程完成后,，SAR ADC會(huì)回到采樣模式,，以獲取信號(hào)。SAR ADC（例如圖1所示的信號(hào)鏈中使用的AD4001轉(zhuǎn)換器）在轉(zhuǎn)換階段會(huì)消耗大部分功率,，而在圖2所示的采集階段則消耗最少功率,。所以，盡管吞吐量能高達(dá)幾個(gè)MSPS,，但還是可以按照應(yīng)用要求的最低速度來運(yùn)行這些轉(zhuǎn)換器,，以大幅優(yōu)化功率。

　　SAR ADC：隨吞吐量調(diào)節(jié)功率

　　在許多低功耗應(yīng)用中,，無需持續(xù)提供傳感器信息,，而是以更低的速度提供,，可能是按幾kSPS或幾十kSPS。在這些情況下,，可以隨吞吐量降低SAR ADC的功耗,，包括模擬電源軌和數(shù)字電源軌。

　　表1.不同終端應(yīng)用中的通信采樣頻率

　　應(yīng)用通信采樣頻率

　　現(xiàn)場(chǎng)儀表60 SPS至600 SPS

　　狀態(tài)監(jiān)控1 kSPS至10 kSPS

　　生命體征監(jiān)測(cè)<1 kSPS

　　大部分精密SAR ADC都內(nèi)置時(shí)鐘,，用于管理轉(zhuǎn)換流程,，因此其轉(zhuǎn)換時(shí)間（tCONV）是固定的。在tCONV固定的情況下,，吞吐量越低,，循環(huán)時(shí)間（tCYC）越長(zhǎng)，采集時(shí)間（tACQ）也就越長(zhǎng),，后者就是ADC保持最小功耗的時(shí)長(zhǎng),。換句話說，吞吐率越低,，采集每個(gè)樣本所用的功耗也越低。

　　圖2.SAR ADC時(shí)序圖,。

　　圖3.AD4001 SAR ADC時(shí)序圖和在一個(gè)循環(huán)內(nèi)的功耗,。循環(huán)時(shí)間越長(zhǎng)，平均功耗越低：（a） 1 μs平均功率 = 6.1113 mW,，（b） 10 μs平均功率 = 0.93756 mW,，（c） 1 ms平均功率 = 0.36845 mW。

　　圖4.（a） AD4001的功耗調(diào)節(jié)和吞吐量,，（b） 相關(guān)頻率范圍（即低于10 kSPS）放大圖的圖示,。

　　數(shù)字信號(hào)從外部觸發(fā)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速度受到嚴(yán)格控制,。采樣速率越低,，導(dǎo)致采樣階段時(shí)間變長(zhǎng)，因此平均功耗越低,。這一點(diǎn)可參見方程1：

　　其中：

• tCONV為轉(zhuǎn)換時(shí)間

• tCYC為采樣速率的倒數(shù)

• VDD為模擬電源

• VIO為數(shù)字電源

• nBITS為ADC的分辨率

• tSCLK為串行時(shí)鐘周期時(shí)間（1/fSCLK）

• VREF為基準(zhǔn)電壓,，IREF為最大吞吐量（max_tput）時(shí)的電流

　　所以，根據(jù)公式1且如圖4所示,，如果tCYC延長(zhǎng)且tCONV保持不變,，ADC平均模擬功耗與采樣速率成反比。

　　圖1所示的ADC在轉(zhuǎn)換階段的功耗主要來自模擬電源,，如圖2所示,。例如，在應(yīng)變片檢測(cè)電路中,，數(shù)據(jù)采集速率可以低至1 kSPS,，與按最大采樣速率運(yùn)行AD4001相比，其功耗可以降低20倍。

　　表2.AD4001功耗調(diào)節(jié)與吞吐量

　　AD4001 吞吐速率總功耗

　　1 kSPS300 μW

　　10 kSPS400 μW

　　1 MSPS6 mW

　　公式1（圖示）顯示功率如何隨吞吐量成比例增加,，如圖4所示,。

　　降低ADC采樣速率會(huì)導(dǎo)致采集時(shí)間延長(zhǎng)，這會(huì)降低ADC驅(qū)動(dòng)器放大器的帶寬要求,，從而擴(kuò)大可選設(shè)備的群集,。帶寬更低的放大器一般具有相對(duì)更低的靜態(tài)電流。所以,，降低ADC采樣速率不僅會(huì)降低ADC功耗,，還會(huì)降低配套使用的放大器的功率要求。

　　表3.運(yùn)算放大器帶寬與電流消耗和噪聲性能的關(guān)系,；帶寬和功率成正比

　　但是,，選擇帶寬更低的運(yùn)算放大器也需要作出取舍。更低的帶寬意味著更低的靜態(tài)電流（IQ）,，但缺點(diǎn)在于噪聲電壓密度（eN）會(huì)增大,，如表3所示。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),，降低靜態(tài)電流意味著噪聲密度會(huì)按照1/√IQ的比例增大,。但是，需要注意的是,，調(diào)節(jié)帶寬會(huì)過濾均方根噪聲,。換句話說，硬件設(shè)計(jì)人員可能根據(jù)給定的采樣速率,、放大器和RC凈帶寬在功耗（或電池壽命）和均方根噪聲性能之間取舍,。

　　圖5.在多種吞吐量下，每個(gè)電源軌（運(yùn)算放大器,、模擬電源軌和數(shù)字電源軌）的電源分布,；如表3所示，根據(jù)帶寬需求,，使用不同的放大器,。

　　此外，用于設(shè)置運(yùn)算放大器增益的反饋電阻也會(huì)影響功耗：這些電阻越大,，它們消耗的功率就越少,。但這期間也伴隨著對(duì)噪聲的取舍，因?yàn)殡娮柙酱?，產(chǎn)生的噪聲也越多,。正確的設(shè)計(jì)做法是，使電阻盡可能大,，只要其噪聲貢獻(xiàn)值在總噪聲中可以忽略不計(jì),。因?yàn)榭傇肼暤扔诟鱾€(gè)噪聲的和方根,，所以，根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn),，可以設(shè)置電阻均方根噪聲的上限為該運(yùn)算放大器的1/3,，使其噪聲貢獻(xiàn)值在總噪聲中的占比低于5%。如此,，運(yùn)算放大器噪聲仍是主要噪聲,。

　　在有些應(yīng)用中，會(huì)以低吞吐率（幾kSPS）對(duì)低頻率輸入信號(hào)采樣,，例如表1所示的信號(hào),，在這種情況下，如果無需信號(hào)調(diào)理（例如增益級(jí)或低輸出阻抗）,，即可移除驅(qū)動(dòng)器放大器,。在更高速度的應(yīng)用中，更新的ADC（例如AD4000或AD4696系列）會(huì)提供高輸入阻抗（高阻）模式,，支持使用更低帶寬（和更低功率）放大器來驅(qū)動(dòng)模擬輸入,，有時(shí)甚至能完全取消使用驅(qū)動(dòng)器。取消這種運(yùn)算放大器也有助于降低總功耗（其功耗隨之取消）,，如圖5的藍(lán)色條柱所示,。與始終需要使用驅(qū)動(dòng)器放大器的傳統(tǒng)型SAR ADC相比，這有助于大幅節(jié)省功率,。在使用AD4696 16通道器件時(shí),，這種功率節(jié)省的比例達(dá)到16倍,?；鶞?zhǔn)電壓源高阻模式功能也會(huì)降低基準(zhǔn)電壓源輸入電流，使得總系統(tǒng)功耗隨之降低,。

　　SAR ADC信號(hào)鏈：AFE動(dòng)態(tài)功耗調(diào)節(jié)

　　如前文所述,，SAR ADC功耗會(huì)隨采樣速率變化，但其他信號(hào)鏈元件并不是如此,。放大器和基準(zhǔn)電壓在通電之后,，消耗恒定的靜態(tài)電流。在采樣ADC樣本期間對(duì)這些元件進(jìn)行功率循環(huán)會(huì)降低信號(hào)鏈的平均功耗,。每個(gè)電源周期必須等待信號(hào)確定,，這會(huì)限制留給系統(tǒng)開啟和關(guān)閉的時(shí)間。有關(guān)詳情,，請(qǐng)參閱“低功耗精密信號(hào)鏈應(yīng)用最重要的時(shí)序因素有哪些,？第一部分”和“低功耗精密信號(hào)鏈應(yīng)用最重要的時(shí)序因素有哪些？第二部分”（但建議對(duì)每種具體的信號(hào)鏈設(shè)計(jì)執(zhí)行精準(zhǔn)分析）,。

　　使用高度集成的ADC,，在片內(nèi)集成更多模擬前端（AFE）模塊,，可以加快上電和斷電轉(zhuǎn)換的速度，但無損其性能,。但是,，在許多場(chǎng)景下，為了實(shí)現(xiàn)最佳性能,，設(shè)計(jì)最終可能會(huì)使用分立式元件,。示例如圖6所示。

　　此信號(hào)鏈為多通道,，由一個(gè)MAX41400和每通道一個(gè)抗混疊濾波器組成,，采用ADR3625精密基準(zhǔn)電壓源，將信息饋送給16通道SAR ADC（即AD4696）,。

　　如前文所述,，按照可接受的最低吞吐量運(yùn)行ADC會(huì)降低其功耗。此外,，如果空閑時(shí)間足夠長(zhǎng),，可在部分采樣時(shí)間期間將MAX41400置于關(guān)斷模式，對(duì)于這樣的多路復(fù)用系統(tǒng),，可以一次只開啟（上電）一個(gè)放大器,。放大器MAX41400開啟（上電）的頻率為tCYC/LSEQ，其中LSEQ為時(shí)序長(zhǎng)度,，在圖7所示的示例中,，其數(shù)值為10。例如,，如果按照每通道1 kSPS的速度進(jìn)行轉(zhuǎn)換,，而轉(zhuǎn)換時(shí)間最長(zhǎng)為415 ns，這表示在每個(gè)通道上,，MAX41400可在約占循環(huán)時(shí)間10%的時(shí)間里處于關(guān)斷模式,。

　　圖6.多通道測(cè)量信號(hào)鏈。

　　圖7.基于AD4696 ADC,，在多通道多路復(fù)用應(yīng)用中對(duì)MAX41400進(jìn)行功率循環(huán)（為了便于查看,，假設(shè)只有10個(gè)通道投入使用）。

　　在完全上電時(shí),，MAX41400的靜態(tài)電流（IQ_ON）為65 μA,，在進(jìn)入關(guān)斷模式（IQ_OFF）之后，該電流可以降低至0.1 μA,。在采樣之間將其關(guān)斷,，放大器消耗的平均電流（IAVG）會(huì)隨吞吐量改變。

　　重申一下,，吞吐量越低,，tCYC越高,，IAVG越低。tON表示放大器保持開啟的時(shí)長(zhǎng),。當(dāng)ADC從采集階段切換至轉(zhuǎn)換階段,，放大器可以進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)，因?yàn)檠娱L(zhǎng)tON時(shí)間,，使其超過最短時(shí)間并不會(huì)帶來任何好處,。應(yīng)使關(guān)斷時(shí)間（tOFF = tCYC – tON）達(dá)到最長(zhǎng)，以最大限度降低功耗,，但不到需要犧牲SNR或THD的程度,。要找到正確的時(shí)序，具體取決于應(yīng)用,、使用的設(shè)備和吞吐率,。事實(shí)上，tON和吞吐量可能成反比：吞吐量更低時(shí),，導(dǎo)致閑置時(shí)間變長(zhǎng),，閑置時(shí)間更長(zhǎng)時(shí)，則需要更長(zhǎng)的tON時(shí)間來喚醒放大器,。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè),，AD4696的典型轉(zhuǎn)換時(shí)間為415 ns。這個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間,，加上在關(guān)斷之后重新給MAX41400上電所需的100 μs,，即為最短的tON時(shí)間。所以,，平均電流消耗為：

　　與始終使能的放大器相比,，MAX41400在關(guān)斷模式下的功耗和快速上電期間的功耗總和要低10倍。

　　一般來說,，除了所示示例在給定吞吐率下計(jì)算得出的節(jié)省功率外,，所有這些公式都可以如圖9所示,，以圖形的方式展示,，其規(guī)格則依照數(shù)據(jù)手冊(cè)（假設(shè)已使能基準(zhǔn)電壓源和模擬輸入高阻模式）。

　　圖8.信號(hào)鏈功耗與吞吐量的關(guān)系（前端提供和不提供功耗調(diào)節(jié)功能）,。

　　可以采用相同的分析方法來分析電池壽命,，與功耗分析相反，需要使用電池容量除以平均電流,。

　　表4.電池容量

　　在這種情況下,，兩者成反比，也就是說,，吞吐量越低,，電池壽命越長(zhǎng),。

　　圖9.利用功率循環(huán)/調(diào)節(jié)功能延長(zhǎng)電池壽命。

　　任何放大器,，即使不像MAX41400一樣支持關(guān)斷模式,，都可以如之前所示進(jìn)行功率循環(huán)。也就是說,，不是進(jìn)入關(guān)斷模式,，而是徹底上電和徹底關(guān)閉。但是,，在操作時(shí)必須小心,。一方面，放大器的喚醒時(shí)間將會(huì)更長(zhǎng),，所以最短tON時(shí)間也會(huì)更長(zhǎng),。另一方面，重復(fù)對(duì)解耦電容充電和放電會(huì)影響在每個(gè)電源周期給它們充電的電流,，與關(guān)斷模式相比,，會(huì)增大整體的功耗。此外,，如果傳感器在電源軌未上電的情況下仍然驅(qū)動(dòng)放大器輸入,，在沒有保護(hù)措施的情況下，可能會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞,。

　　基于SAR ADC的信號(hào)鏈：數(shù)字電源功耗調(diào)節(jié)

　　前文著重介紹降低模擬電源功耗（如果是總功耗的最主要來源時(shí)）該如何降低,。降低吞吐量也會(huì)影響數(shù)字功耗，因?yàn)檫@使得串行時(shí)鐘能以更低頻率運(yùn)行：

　　公式5指出,，我們還可以采用兩個(gè)額外的步驟來最大限度降低數(shù)字功耗：

• 使用更低的數(shù)字電源電壓（VIO）

• 最大限度降低串行數(shù)據(jù)輸出線路的走線電容

　　需要注意的另一點(diǎn)是數(shù)字通信線路中使用的上拉/下拉電阻的值,。這些電阻用于確保在數(shù)字輸入/輸出端提供正確的邏輯電平，它們的數(shù)值會(huì)影響到系統(tǒng)的總功耗,。使用的電阻值過低（也稱為強(qiáng)上拉）可能會(huì)導(dǎo)致線路中有大電流通過,。因此，應(yīng)避免使用非必要的低電阻值,。另一方面,，如果電阻過高，泄漏電流導(dǎo)致的壓降會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的邏輯電平解譯,。此外,，壓降會(huì)影響傳輸。所以,，設(shè)計(jì)人員必須在無損電壓電平（取決于數(shù)字電源電壓和泄漏電流）或信號(hào)完整性的情況下,，使用最高的電阻值。

　　基于Σ-Δ ADC的信號(hào)鏈

　　在基于Σ-Δ ADC的信號(hào)鏈中,，之前所述的功耗調(diào)節(jié)概念并不直接適用,。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)換不是從外部觸發(fā)的,，而是由自由運(yùn)行的時(shí)鐘觸發(fā)的4。所以它們不能作為外部轉(zhuǎn)換開始信號(hào)的函數(shù),，以閑置狀態(tài)持續(xù)一定時(shí)間,。

　　但是，許多Σ-Δ ADC支持待機(jī)模式,，如果ADC無需持續(xù)轉(zhuǎn)換,，即可使用這種模式。如前文所述,，我們還需要考慮時(shí)序問題5,，因?yàn)樵趩拘哑骷狡骷顺龃龣C(jī)模式的這段時(shí)間里,，是不能進(jìn)行采樣的,。

　　除了待機(jī)模式外，高度集成的Σ-Δ ADC（例如AD4130）還提供占空比模式,。如此,，ADC會(huì)自動(dòng)上電和關(guān)閉，無需在每次循環(huán)時(shí)與主機(jī)交互,。AD4130提供兩種模式,，分別為1/4和1/16，這表示該器件在1/4和1/16的時(shí)間里保持激活,。與連續(xù)轉(zhuǎn)換模式相比,，這會(huì)大幅節(jié)省功率，如圖10所示,。

　　表5.AD4130在每種功率模式下的電流消耗

　　AD4130功率模式典型功耗

　　連續(xù)轉(zhuǎn)換32 μA

　　占空比控制5 μA

　　關(guān)斷模式0.5 μA

　　根據(jù)所需的吞吐率,，在選擇優(yōu)化功耗的技術(shù)時(shí)，可以使用其中一種占空比模式,，或者讓器件在一定時(shí)間里處于待機(jī)模式,。實(shí)際上，AD4130的多種工作模式都可能影響ADC的功耗,。ACE6中可用的主動(dòng)功能模型顯示了所選ADC配置的功耗和預(yù)期的電池壽命,。

　　圖10.Ad4130在不同工作模式下的電流消耗：連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、1/4占空比和1/16占空比,。

　　基于Σ-Δ ADC的信號(hào)鏈：AFE動(dòng)態(tài)功耗調(diào)節(jié),，支持占空比

　　和基于SAR ADC的信號(hào)鏈一樣,，基于∑-? DAC的信號(hào)鏈可以利用占空比,，在ADC處于低功耗狀態(tài)（圖10）時(shí)將某些模塊置于關(guān)斷狀態(tài)。如此,，可以實(shí)現(xiàn)與圖9所示類似的AFE功率節(jié)省,。

　　傳感器激勵(lì)

　　完整的解決方案器件（例如AD4130）不止提供核心轉(zhuǎn)換器,，還提供內(nèi)部可編程增益放大器，以及傳感器偏置和激勵(lì)（可選的電流源和精密基準(zhǔn)電壓）,。這種集成意味著易用性,、尺寸，以及在不同構(gòu)建模塊之間使用偏置,、時(shí)序或功率循環(huán)等的優(yōu)化,。所以，AD4130本身通過在片內(nèi)集成這些模塊來降低系統(tǒng)的整體功耗,。此外,，它能夠靈活用在多種不同的平臺(tái)中，例如RTD,、熱敏電阻或橋接傳感器等等,，能夠幫助簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)周期。它還減少了BOM數(shù)量,，以及需要使用的電源軌的數(shù)量,。

　　其他功率優(yōu)化技術(shù)

　　本文介紹了多種最大限度降低信號(hào)鏈功耗的方法。但是,，信號(hào)鏈還有一個(gè)部分需要考慮,，即主機(jī)控制器。如果控制器因?yàn)樾枰x取和后處理來自ADC的數(shù)據(jù)而始終保持上電,，那么它會(huì)消耗很多功率,。在控制器未使用時(shí)，將其置于睡眠模式將有助于額外節(jié)省功率,。

　　帶片內(nèi)FIFO的ADC

　　如果應(yīng)用無需實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),，但必須以更低的速率讀取數(shù)據(jù)點(diǎn)，那么帶片內(nèi)FIFO的ADC應(yīng)能派上用場(chǎng),。AD4130集成了這種模塊,，該FIFO能夠存儲(chǔ)多達(dá)256次轉(zhuǎn)換，所以,，如果輸出數(shù)據(jù)速率（ODR）（例如）為2.4 kSPS,，該微控制器無需每隔416 μs讀取一次，而是可以進(jìn)入睡眠模式,，每隔100 ms喚醒,，一次性讀取整個(gè)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)（參見圖11的數(shù)據(jù)傳輸部分）。換言之,，如果ADC的存儲(chǔ)器能存儲(chǔ)最新的256個(gè)樣本,，也能使微控制器進(jìn)行功率循環(huán)，從而大幅降低系統(tǒng)的總功耗。

　　圖11.利用ADC的片內(nèi)FIFO降低微控制器的功耗,。

　　通過直接存儲(chǔ)訪問（DMA）將ADC數(shù)據(jù)流傳輸至存儲(chǔ)器

　　對(duì)于不包含片內(nèi)FIFO的ADC,，可以轉(zhuǎn)而使用大部分微控制器都包含的直接存儲(chǔ)訪問（DMA）。DMA能將數(shù)據(jù)直接從外設(shè)（在本例中為SPI）傳輸至存儲(chǔ)器（SRAM）,，不存在因?yàn)槊看谓邮誂DC樣本而造成CPU干預(yù)或中斷,。選擇的微控制器會(huì)直接影響到可以實(shí)現(xiàn)的功率節(jié)省。在許多情況下,，微控制器在大部分時(shí)間里都能保持處于睡眠模式,，只有在接收到ADC樣本時(shí)才觸發(fā)事件。此事件會(huì)簡(jiǎn)單提醒DMA開始執(zhí)行SPI事務(wù),，之后再回到睡眠狀態(tài),，相比CPU在整個(gè)SPI事務(wù)執(zhí)行期間保持完全喚醒，這會(huì)使微控制器的功耗達(dá)到最低,。注意,，只有在ADC數(shù)據(jù)的格式與目標(biāo)存儲(chǔ)器一致時(shí)，才能使用DMA,。也就是說,，對(duì)于大部分微控制器，只有當(dāng)ADC數(shù)據(jù)為16位或32位時(shí),，才能輕松使用DMA,。

　　中斷驅(qū)動(dòng)編程

　　許多低功耗應(yīng)用不要求記錄和處理每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，但需要監(jiān)控檢測(cè)的幅度是否位于特定的閾值之內(nèi),。以前,，為了進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主機(jī)控制器需要始終保持喚醒,，以讀取每個(gè)ADC樣本,，確定其值是否正常，并且據(jù)此觸發(fā)中斷例程,。

　　AD4696 （SAR ADC）和AD4130 （Σ-Δ ADC）都集成了這些閾值檢測(cè)功能,。閾值可以編入程序，使得GPIO引腳只在ADC輸出代碼超出用戶定義的范圍時(shí)進(jìn)行認(rèn)定,。如此,，主機(jī)控制器大部分時(shí)間都可以處于睡眠模式，只在GPIO認(rèn)定時(shí)喚醒,，這意味著,，它只在需要執(zhí)行操作時(shí)才保持活躍，因此能夠最大限度降低功耗,。

　　結(jié)論

　　在為便攜式現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表,、狀態(tài)監(jiān)控或生命體征測(cè)量（VSM）等應(yīng)用設(shè)計(jì)電池供電的測(cè)量系統(tǒng)時(shí),，可以使用analog.com/precisionlowpower所示的低功耗信號(hào)鏈來實(shí)現(xiàn)功率優(yōu)化型解決方案。ADI的精密低功耗信號(hào)鏈幫助設(shè)計(jì)人員簡(jiǎn)化了構(gòu)建低功耗測(cè)量解決方案的過程,，該解決方案將精密放大器,、基準(zhǔn)電壓,、ADC和隔離產(chǎn)品優(yōu)化組合在一起,。在這些信號(hào)鏈中，功耗得到優(yōu)化,，同時(shí)兼顧噪聲性能,、尺寸、易用性這些重要指標(biāo),。這些信號(hào)鏈提供不同配置：?jiǎn)瓮ǖ?、分立式多通道（多路?fù)用）、完全集成的多通道解決方案和隨時(shí)可用的功率優(yōu)化設(shè)計(jì),，對(duì)于低功耗設(shè)計(jì)來說是非常不錯(cuò)的起點(diǎn),。

　　除了展示ADI的精密低功耗信號(hào)鏈之外，本文還展示多種提高信號(hào)鏈的能效比的系統(tǒng)級(jí)技術(shù),。這些技術(shù)包括功耗調(diào)節(jié),、功率循環(huán)、占空比,，或使用FIFO這類片內(nèi)功能,，或者閾值檢測(cè)這類中斷驅(qū)動(dòng)功能。

　　參考

　　1 Padraic O'Reilly,。低功耗精密信號(hào)鏈應(yīng)用最重要的時(shí)序因素有哪些,？第一部分“。模擬對(duì)話,，第56卷第3期,，2022年8月。

　　2 Padraic O'Reilly,。低功耗精密信號(hào)鏈應(yīng)用最重要的時(shí)序因素有哪些,？第二部分”。模擬對(duì)話,，第56卷第3期,，2022年8月。

　　3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換手冊(cè),。（ADI公司,，2005年）

　　4 Michael Clifford?！唉?Δ型ADC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本原理：

　　第一部分”,。ADI公司,，2016年1月。

　　5 Bruce Pepitas,?！皠?dòng)態(tài)功耗調(diào)節(jié)簡(jiǎn)介”。ADI公司,，2016年1月,。

　　6 分析 | 控制 | 評(píng)估（ACE）軟件。ADI公司

　　Brandon Hurst,?！叭绾问褂肈MA在低功耗可穿戴設(shè)備中加快外設(shè)監(jiān)測(cè)”。模擬對(duì)話,，第56卷第1期,，2022年1月。

　　Maithil Pachchigar和Alan Walsh,?！靶乱淮鶶AR ADC解決精密數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈設(shè)計(jì)的難點(diǎn)”。模擬對(duì)話,，第50卷第4期,，2016年12月。

　　Sanjay Rajasekhar和Arvind Shankar,?！叭绾卫幂斎敫咦杓夹g(shù)來降低解決方案的功耗并減小尺寸”。ADI公司,，2022年7月,。

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