在MCU系統中如何利用ADC技術(shù)進(jìn)行數據采集

使用MCU的系統設計人員受益于摩爾定律，即通過(guò)更小封裝、更低成本獲得更多的豐富特性功能。嵌入式系統設計人員和MCU廠(chǎng)商關(guān)心數據采集系統的三個(gè)基本功能：捕獲、計算和通信。理解全部功能對設計大有幫助，本文將主要關(guān)注數據采集系統的捕獲階段。

捕獲

復雜的混合信號MCU必須能夠從模擬世界中捕獲某些有用信息，并且能夠把連續時(shí)間信號轉換成離散的數字形式。模數轉換器（ADC）是完成這項任務(wù)最重要的MCU外設，因此ADC的性能往往決定何種MCU適用于何種應用。MCU也能夠通過(guò)各種串行或并行數字I/O接口捕獲來(lái)自外部信號源的數字形式的系統信息。

計算

信號捕獲后，需要對捕獲數據進(jìn)行某些處理；有時(shí)僅僅需要模數轉換，但是更多情況下必須要對捕獲的數據樣本進(jìn)行計算。MCU行業(yè)中持續進(jìn)行的數字化演變，帶給系統開(kāi)發(fā)人員更先進(jìn)的信號處理水平和更高的處理器速度。因此，嵌入式開(kāi)發(fā)人員現在對8位、16位和32位混合信號MCU有更多的選擇余地，以便適應各種成本/性能目標。開(kāi)發(fā)人員也有更多片上選擇（on-chip options）可用于完成系統任務(wù)。此外，MCU的硬宏（hard-macro）能自動(dòng)處理，在外設中集成的功能狀態(tài)機可完成常見(jiàn)的處理器任務(wù)。

通信

最后，為了控制過(guò)程中的信息交換，某種形式的通信是必要的。此功能可以相當簡(jiǎn)單，也可以相當復雜。通信甚至可以是模擬輸出的電壓或電流，通常使用數模轉換器（DAC）把捕獲和處理的數據轉換到模擬形式來(lái)實(shí)現。

基于多功能MCU的數據采集系統

MCU數據采集系統的關(guān)鍵是ADC.在電子行業(yè)中最常見(jiàn)的ADC類(lèi)型一般是逐次逼近型ADC（SAR ADC）。許多MCU使用SAR ADC是因為它在速度和性能組合上的靈活性。在MCU中，SAR ADC的精確度可以從8位到16位，吞吐速率范圍可以從極慢的按需轉換請求到每秒超過(guò)100萬(wàn)次轉換。但是ADC僅僅是完整數據采集系統中的一部分。數據采集系統的其他部分也可增加其靈活性，包括信號輸入接口、參考電壓接口、用于A(yíng)DC的時(shí)鐘和采樣系統以及用于轉換后ADC輸出數據的數據管理。

通常情況下，模擬信號輸入接口共享一個(gè)通用輸入輸出（I/O）緩沖器結構體，此結構體可配置為數字域或模擬域，或者也可以由兩個(gè)域共用。多配置性實(shí)現方法允許設計人員根據其系統需求在多個(gè)芯片引腳上劃分模擬和數字功能。作為輸入多路復用器的一部分，最常見(jiàn)的輔助輸入之一是片上的溫度傳感器；其他的重要輸入包括內部電壓。

一旦系統的輸入通道配置完成，嵌入式設計人員就可以利用程序代碼選擇任意通道，并請求ADC轉換。設計人員也可以選擇免除程序代碼，而允許ADC通道定序器根據預先設定的通道輸入進(jìn)行循環(huán)，直到檢測出重要事件。

數據采集

系統的另一個(gè)重要方面是ADC參考電壓（VREF）。參考電壓用來(lái)設置系統的輸入動(dòng)態(tài)范圍或量程，并能顯著(zhù)影響整體噪聲性能。多路轉換器通常用于從多種板上和外部參考電壓輸入中選擇VREF.常用的參考電壓包括MCU內部生成的緩沖帶隙電壓的倍頻電壓、片外生成的精確參考電壓以及多種外部電源電壓，以上可選參考電壓都兼容I/O緩沖器結構體和ADC限制。

如此多的輸入通道，使人們很容易想象到，在某些系統中一個(gè)或多個(gè)引腳的輸入動(dòng)態(tài)范圍可能不兼容單一VREF電壓。為了解決這個(gè)問(wèn)題，Silicon Labs Precision32 MCU集成輸入級聯(lián)增益，根據ADC型號不同可能有0.5或1倍的增益，這樣通過(guò)調整輸入信號可更好的兼容選擇VREF.

ADC轉換循環(huán)

ADC的時(shí)鐘系統要易于配置，以便支持MCU應用的多種用途。SAR ADC屬于奈奎斯特率轉換器，系統設計人員要仔細選擇以滿(mǎn)足采樣率至少兩倍于輸入信號帶寬的奈奎斯特準則。當配置ADC時(shí)，開(kāi)發(fā)人員還必須考慮兩個(gè)計時(shí)任務(wù)。這兩個(gè)任務(wù)涉及ADC轉換循環(huán)和MCU系統內的可用時(shí)鐘源。轉換循環(huán)有兩部分組成：一個(gè)是跟蹤周期，一個(gè)是轉換周期，如圖1所示。

圖1：ADC轉換循環(huán)。

跟蹤周期是轉換循環(huán)中當ADC輸入電路連接到輸入信號時(shí)所花費的那部分時(shí)間。輸入采樣發(fā)生在跟蹤周期結束并且輸入電路從輸入源斷開(kāi)時(shí)。這一刻是由連接到ADC的數字控制信號引起的，稱(chēng)為轉換啟動(dòng)（CNVST）。該命名恰如其分，CNVST標志著(zhù)跟蹤周期的結束和轉換周期的開(kāi)始。

轉換周期是ADC執行逐次逼近寄存器（SAR）邏輯時(shí)的那部分ADC轉換循環(huán)。ADC用于跟蹤輸入信號的時(shí)間量與ADC的輸入負載特性、信號源的驅動(dòng)能力和測量所需的精度要求相關(guān)。MCU器件規格手冊列出ADC輸入模型，給出ADC輸入的輸入電容、電阻和漏電流值。為了精確測量，開(kāi)發(fā)人員應當為輸入信號穩定保留足夠的跟蹤時(shí)間，最好超過(guò)0.5 LSB.

雖然轉換周期通常是一個(gè)與SAR ADC時(shí)鐘周期有關(guān)的可配置時(shí)間量，即對于每一位的判別時(shí)間，但他最好是采用CNVST請求之間的時(shí)間量描述跟蹤時(shí)間，而不是SAR轉換周期。簡(jiǎn)單的說(shuō)，如果ADC沒(méi)有處于轉換狀態(tài)，那他就處于跟蹤狀態(tài)。轉換請求之間的過(guò)長(cháng)時(shí)間會(huì )導致更多的跟蹤時(shí)間。為了解決這個(gè)問(wèn)題，Silicon Labs MCU系列產(chǎn)品提供在轉換請求之間關(guān)閉跟蹤電路的功能，從而可降低系統功耗。

ADC轉換吞吐速率是轉換請求的頻率，通常命名為符號Fs.最大吞吐速率的設定通常由ADC的最小跟蹤時(shí)間以及最小轉換時(shí)間限定。恒定的吞吐速率是通過(guò)發(fā)送同樣時(shí)間間隔的轉換請求流來(lái)實(shí)現的。對于管理兩個(gè)關(guān)鍵的計時(shí)任務(wù)來(lái)說(shuō)，可配置的ADC時(shí)鐘系統是必不可少的。

計時(shí)任務(wù)之一是生成用于轉換周期期間的時(shí)鐘，用于執行SAR算法。與轉換周期相關(guān)的SAR時(shí)鐘（SARCLK）通常來(lái)自MCU系統時(shí)鐘。SARCLK的可配性需要適應MCU系統時(shí)鐘，時(shí)鐘頻率范圍從不到1MHz到超過(guò)100MHz.由于A(yíng)DC內部的比較器設計，將產(chǎn)生SAR轉換邏輯被定時(shí)的最大速率。系統設計人員必須小心配置SARCLK頻率，避免超過(guò)其最大時(shí)鐘速率規格。另一個(gè)計時(shí)任務(wù)是生成轉換請求采樣速率，其不能超過(guò)給定適當轉換周期配置的ADC轉換器的最大吞吐速率。

孔徑抖動(dòng)和延遲

轉換啟動(dòng)請求信號可以看作是采樣時(shí)鐘，因此它決定ADC采樣和保持電路實(shí)際捕獲輸入信號的時(shí)間點(diǎn)。當配置ADC轉換請求時(shí)基時(shí)，需要考慮與采樣和保持電路相關(guān)的規格，即孔徑抖動(dòng)和孔徑延遲。這兩個(gè)規格影響輸入信號采樣的精確度，因為輸入信號相對于孔徑時(shí)間延遲在不斷快速變化，如圖2所示。

圖2：孔徑抖動(dòng)和延遲。

孔徑抖動(dòng)在生成轉換啟動(dòng)信號的時(shí)鐘系統和其他電路中將導致誤差（即時(shí)鐘抖動(dòng)），同時(shí)孔徑延遲導致轉換啟動(dòng)信號和采樣開(kāi)關(guān)之間電路延遲?？讖蕉秳?dòng)在數據采集系統中會(huì )引入噪聲和失真?？讖窖舆t可以由MCU設計人員內部管理，使其最小化，以避免由于長(cháng)延遲而增加更多抖動(dòng)的風(fēng)險?？讖窖舆t在數據采集系統中引起延遲誤差。太長(cháng)的孔徑延遲類(lèi)似于水池在“水池滿(mǎn)”信號發(fā)出之前就開(kāi)始溢出。

由于上述原因，需要精確的時(shí)基用于產(chǎn)生穩定的轉換啟動(dòng)請求時(shí)序。MCU提供一系列板上時(shí)鐘或外部時(shí)鐘源作為系統時(shí)鐘選擇。系統設計人員必須仔細選擇具有足夠精度的時(shí)鐘源，以滿(mǎn)足其數據采集系統的需求。對于高速輸入源，需要非常精確的晶體振蕩器。另一方面，直流（DC）或慢速輸入可以更好地容忍時(shí)鐘系統錯誤，但仍然需要在轉換之間保留足夠的穩定時(shí)間。

突發(fā)模式特性

Silicon Labs MCU系列產(chǎn)品中兩個(gè)特別有用的特性是突發(fā)模式和標記跟蹤模式。突發(fā)模式根據可編程的連續ADC轉換數量生成累積的或平均結果，所有觸發(fā)來(lái)自一個(gè)轉換請求。標記跟蹤模式通過(guò)改變轉換啟動(dòng)請求操作來(lái)分擔MCU系統所需的跟蹤時(shí)間管理。通常，轉換啟動(dòng)標記在跟蹤周期終點(diǎn)和轉換周期起點(diǎn)。但在標記跟蹤模式中，轉換啟動(dòng)請求卻在跟蹤周期起點(diǎn)觸發(fā)，然后持續一段時(shí)間，此時(shí)長(cháng)為基于預配置的SARADC時(shí)鐘周期的可編程時(shí)長(cháng)，最后才開(kāi)始轉換。帶有標記跟蹤的觸發(fā)模式可為低頻運行的MCU在單MCU時(shí)鐘循環(huán)中獲得累積的ADC結果，因此減少系統循環(huán)數和降低功耗，如圖3所示。

圖3：ADC突

上一頁(yè) 1 2 下一頁(yè)