解析創(chuàng)新高精度數(shù)據(jù)采集SoC設(shè)計(jì)方案

　　隨著地球資源日趨減少，人們?cè)絹碓叫枰ㄟ^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(dòng)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(shí)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(gè)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(gè)觸角的性能，成為信息傳遞的瓶頸，實(shí)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(shì)，并以芯海科技集成高精度ADC和MCU的SoC產(chǎn)品探討創(chuàng)新產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)思路和技術(shù)。

　　把握技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

　　Σ-ΔADC成為高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(shì)：

　　高增益、高精度型：為了滿足計(jì)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(dòng)態(tài)測(cè)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(dá)128倍時(shí)，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(gè)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(jiǎn)單、成本低是Σ-Δ器件的優(yōu)勢(shì)。

　　片上系統(tǒng)型：在實(shí)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(gè)芯片上將兩者同時(shí)制出，形成所謂“片上系統(tǒng)(或單片系統(tǒng)，簡(jiǎn)記為SoC)”，簡(jiǎn)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(shí)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(chǎng)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(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(dú)立ADC配對(duì)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(duì)，那么其價(jià)格比較高。傳統(tǒng)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足系統(tǒng)的要求。擁有領(lǐng)先ADC技術(shù)的深圳芯海科技公司認(rèn)識(shí)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(jì)實(shí)現(xiàn)領(lǐng)先性能優(yōu)勢(shì)

　　除了上述創(chuàng)新產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)思路，芯?？萍嫉母呔?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集SoC產(chǎn)品中還實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)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(hào)處理模塊和高性能PGA實(shí)現(xiàn)方式(已申請(qǐng)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(shí)鐘節(jié)拍運(yùn)行時(shí)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?cè)谀M部分設(shè)計(jì)時(shí)，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(gè)調(diào)制器后，輸入信號(hào)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(gè)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(hào)。

　　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(hào)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(gè)濾波器，既要保證足夠高的信噪比，又要考慮系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的延遲?，F(xiàn)在的測(cè)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(jì)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(shí)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(jì)。

　　高性能PGA實(shí)現(xiàn)方式。由于高精度ADC所探測(cè)的信號(hào)非常微弱，必須要通過前置放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，提高信噪比。前置放大器在放大信號(hào)的同時(shí)，自身也會(huì)產(chǎn)生噪聲，并且會(huì)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(shí)現(xiàn)方式，設(shè)計(jì)出了高性能的SoC方案，大大提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

　　小結(jié)：

　　基于上述創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路和技術(shù)的SoC產(chǎn)品如CSU12xx及CSU1101B，與同類競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品相比主要優(yōu)勢(shì)特性一是精度高，二是低功耗?；谶@些優(yōu)勢(shì)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(dòng)上位人體秤、電子血壓計(jì)等應(yīng)用，實(shí)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(chǎng)占有了一席之地。