高精度數據采集SoC方案

　隨著(zhù)地球資源日趨減少，人們越來(lái)越需要通過(guò)信息尋找節約資源的方法和途徑，以至于許多經(jīng)濟學(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(lèi)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(dòng)進(jìn)入信息系統，必須使用各種各樣的傳感器將這些模擬量轉換成電壓，然后通過(guò)電壓轉換單元（即模數轉換器，ADC）和微數據處理單元實(shí)現信息的轉換和傳輸，傳感器、電壓轉換單元、微數據處理單元就像信息系統的“觸角”，這個(gè)觸角越發(fā)達，系統的效率就越高。

在上述信息系統的“觸角”中，電壓轉換單元的技術(shù)性能決定了整個(gè)觸角的性能，成為信息傳遞的瓶頸，實(shí)現電壓轉換的技術(shù)方案很多，其中一種工作原理稱(chēng)為Σ-Δ方式的電壓轉換器件。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(lái)品種越來(lái)越多，應用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，已經(jīng)成為中、低速電壓轉換器件的主流方式。本文將分析此類(lèi)ADC轉換技術(shù)發(fā)展趨勢，并以芯?？萍技筛呔華DC和MCU的SoC產(chǎn)品探討創(chuàng )新產(chǎn)品架構設計思路和技術(shù)。

把握技術(shù)發(fā)展趨勢

Σ-ΔADC成為高精度模數轉換器產(chǎn)品設計的主流技術(shù)，通過(guò)多年發(fā)展，目前基本上出現以下的產(chǎn)品發(fā)展趨勢：

高增益、高精度型：為了滿(mǎn)足計量器具，如電壓表、衡器等的要求，該型轉換器件的分辨力達24位，可編程放大器的增益達128倍，增益溫度漂移系數不到1ppm/℃，通過(guò)減小噪聲的措施使得低數據輸出速率下（3.75—10Hz）的噪聲峰峰值僅55nVp-p，有效位數達到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，適合更廣泛的應用。

高速型：應用于動(dòng)態(tài)測量場(chǎng)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128倍時(shí)，4.8KHz數據輸出速率下的噪聲峰峰值僅2μV，有效位數已能達到15位。在這個(gè)速率下，已不適合積分式轉換電路工作，而與傳統的逐次比較方式相比，結構工藝簡(jiǎn)單、成本低是 Σ-Δ器件的優(yōu)勢。

片上系統型：在實(shí)際應用中，電壓轉換技術(shù)與數據處理技術(shù)總是緊密結合的，在一個(gè)芯片上將兩者同時(shí)制出，形成所謂“片上系統（或單片系統，簡(jiǎn)記為SoC）”，簡(jiǎn)化了信息觸角電路的結構，減小了其體積，降低了成本，使得大量增加信息系統觸角的技術(shù)方案有了現實(shí)的技術(shù)基礎。尤其是片上系統非常適合嵌入到傳感器內部，成為一體化的觸角（數字傳感器），為將來(lái)信息系統的發(fā)展和開(kāi)辟新構架創(chuàng )造了基礎條件。

目前市場(chǎng)上最常見(jiàn)的高精度數據采集技術(shù)方案可大致分為三個(gè)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(jià)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(jià)格比較高。傳統的“ADC+MCU”市場(chǎng)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(chǎng)。

事實(shí)上，大約10幾年前已經(jīng)有人將ADC與MCU制作在一個(gè)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(mǎn)足系統的要求。擁有領(lǐng)先ADC技術(shù)的深圳芯?？萍脊菊J識到集成高精度ADC的SoC產(chǎn)品方向的發(fā)展潛力，反客為主，以高增益高精度型ADC 為核心，將MCU作為ADC的后續處理單元，推出了專(zhuān)門(mén)用于高精度數據采集的SoC器件，盡管其中MCU的性能并不突出，但作為SoC器件，系統的技術(shù)經(jīng)濟綜合指標明顯優(yōu)于用其他器件構成同類(lèi)系統。

創(chuàng )新設計實(shí)現領(lǐng)先性能優(yōu)勢

除了上述創(chuàng )新產(chǎn)品架構設計思路，芯?？萍嫉母呔?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/數據采集">數據采集SoC產(chǎn)品中還實(shí)現了多項技術(shù)上的創(chuàng )新和改進(jìn)，從而在產(chǎn)品創(chuàng )新的同時(shí)保證了滿(mǎn)足系統應用的高性能要求。主要的技術(shù)創(chuàng )新包括采用高精度Σ-Δ調制器、高性能的DSP信號處理模塊和高性能PGA實(shí)現方式（已申請相關(guān)專(zhuān)利），等等。

高精度Σ-Δ調制器。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，還有數字電路隨時(shí)鐘節拍運行時(shí)產(chǎn)生的襯底噪聲和電源噪聲。這些噪聲源都嚴重地影響了高精度Σ-Δ調制器的性能。為此，芯?？萍脊炯夹g(shù)專(zhuān)家們在模擬部分設計時(shí)，充分考慮了這些噪聲的調制和成型，創(chuàng )新性地使用了四階隨機斬波Σ-Δ調制器。從圖1中可以得到四階Z域的傳輸函數為：

可以看出，經(jīng)過(guò)這個(gè)調制器后，輸入信號X(Z)沒(méi)有什么變化，僅僅是增加了延遲，但是量化噪聲被函數H(Z)=(1-Z-1)4所加權，成為高頻成分，這個(gè)函數我們稱(chēng)為噪聲成型函數。利用調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。

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制器外，高性能的DSP模塊同樣起著(zhù)至關(guān)重要的作用。這個(gè)濾波器，既要保證足夠高的信噪比，又要考慮系統對信號的延遲?，F在的測量系統，通常都要求“One Cycle Settle”，即單周期建立。為此，在此類(lèi)SoC設計中采用了先進(jìn)行高速高階濾波器，再加一階濾波輸出的方式，來(lái)同時(shí)達到高的性噪比和高的響應速度。

高性能PGA實(shí)現方式。由于高精度ADC所探測的信號非常微弱，必須要通過(guò)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(shí)，自身也會(huì )產(chǎn)生噪聲，并且會(huì )限制系統的共模輸入范圍，增加系統成本及功耗。芯?？萍疾捎昧颂赜械牡凸?、低噪聲、低成本PGA實(shí)現方式，設計出了高性能的SoC方案，大大提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競爭力。

小結

基于上述創(chuàng )新設計思路和技術(shù)的SoC產(chǎn)品如CSU12xx及CSU1101B，與同類(lèi)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(lèi)多系列的SoC已經(jīng)成功應用于包括高性能太陽(yáng)能自動(dòng)上位人體秤、電子血壓計等應用，實(shí)現了超過(guò)50萬(wàn)片的累積銷(xiāo)量，成功地幫助芯?？萍荚趪鴥葦祿杉骷袌?chǎng)占有了一席之地。