使用纮康HY11P系列單芯片實(shí)現(xiàn)電壓與溫度量測(cè)應(yīng)用

• 　　1 簡(jiǎn)介

　　對(duì)于很多任務(wù)業(yè)、聲音或消費(fèi)性領(lǐng)域應(yīng)用方面的系統(tǒng)而言，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(A/D)通常都是扮演很重要的關(guān)鍵腳色。為了可以滿足許多應(yīng)用需求，市面上因而衍伸出多種不同A/D架構(gòu)的產(chǎn)品別。從逐次逼近型ADC (successive-approximation (SAR))、積分型ADC(Dual slope)，到近年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的Σ-Δ型ADC(sigma-delta)，它們各有其優(yōu)缺點(diǎn)，能滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)合的使用。SAR、Dual Slope ADC等，主要應(yīng)用于中速或較低速、中等精度的數(shù)據(jù)收集和智能儀器中。Σ-Δ型ADC主應(yīng)用于高精度數(shù)據(jù)收集特別是數(shù)字音響系統(tǒng)、多媒體、精密測(cè)量等電子測(cè)量領(lǐng)域。表1-1約略說(shuō)明了不同A/D架構(gòu)產(chǎn)品分辨率及應(yīng)用領(lǐng)域，圖1-2 為2005年的A/D架構(gòu)分析資料，可以說(shuō)明不同產(chǎn)品類(lèi)別的A/D應(yīng)用領(lǐng)域。

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　　表 1?1 不同A/D架構(gòu)與分辨率和轉(zhuǎn)換速率關(guān)系表

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　　圖 1?2 不同A/D架構(gòu)與分辨率和取樣率關(guān)系圖 [1]

　　下面則針對(duì)SAR、Dual slope、Σ-Δ ADC做簡(jiǎn)要介紹：

　　SAR ADC：

　　此為應(yīng)用較廣泛的轉(zhuǎn)換方法之一，主要由比較器、逐次逼近緩存器(SAR)和邏輯控制單元組成。為將輸入信號(hào)與已知電壓進(jìn)行比較并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后為二進(jìn)制輸出。其Input RMS noise通常約在1mV左右，一般分辨率約在12位上下。

　　其優(yōu)勢(shì)在于分辨率低于12位時(shí)價(jià)格較低，取樣率可達(dá)1MSPS(million samples per second)，功耗較低，且尺寸小。但其缺點(diǎn)就是當(dāng)高于14位分辨率以上通常價(jià)格較高，且若使用在傳感器上則須先進(jìn)行前置信號(hào)增益放大和濾波，明顯成本會(huì)增加許多。

　　Dual Slope ADC：

　　亦稱(chēng)為積分型ADC。主要由輸入切換開(kāi)關(guān)的積分器、比較器、計(jì)數(shù)器構(gòu)成，透過(guò)兩次積分將輸入的電壓轉(zhuǎn)換成和平均值成正比的時(shí)間間隔，并利用計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)完成轉(zhuǎn)換。其Input RMS noise通常約在10uV左右，一般分辨率約在16位上下。

　　其優(yōu)勢(shì)在于輸入端采用了積分器，對(duì)交流噪聲的干擾有很強(qiáng)的抑制能力，可以抑制高頻噪聲和固定的低頻干擾(如50Hz或60Hz)，適合在嘈雜的工業(yè)環(huán)境中使用。但其缺點(diǎn)就是轉(zhuǎn)換速率低，轉(zhuǎn)換速率在12位時(shí)通常只有約100～300SPS。

　　Σ-Δ型ADC：

　　亦稱(chēng)為過(guò)取樣轉(zhuǎn)換器，主要根據(jù)前后量值的差值大小來(lái)進(jìn)行量化編碼。其由模擬Σ-Δ調(diào)制器和數(shù)字取樣濾波器所組成。先由Σ-Δ調(diào)制器完成信號(hào)取樣及增量編碼，再由數(shù)字取樣濾波器轉(zhuǎn)換成高分辨率的數(shù)字信號(hào)。其Input RMS noise通常約在1uV左右，一般分辨率約在16位~20位上下。

　　其優(yōu)勢(shì)在于分辨率較高，可高達(dá)24位。轉(zhuǎn)換速率相對(duì)于積分型ADC來(lái)的高;內(nèi)部過(guò)取樣轉(zhuǎn)換器直接實(shí)現(xiàn)了數(shù)字濾波功能，間接降低了對(duì)傳感器信號(hào)濾波的要求。但其缺點(diǎn)在于較高速Σ-△型ADC的價(jià)格通常高出許多。一般在相同轉(zhuǎn)換速率下，較SAR ADC、Dual slope ADC的功耗高。

　　而纮康科技[2]目前所推出內(nèi)建SPI串行界面的OP + A/D微控制器HY11P13，即為具有18位Σ-△型A/D解析能力的單芯片。該芯片ROM size 4K x 16、Ram size 256byte，提供4x20 LCD點(diǎn)數(shù)顯示， I/O最多可支持到14埠。其18位高A/D分辨率包含8組網(wǎng)絡(luò)輸入選擇，可應(yīng)用于大部分Sensor的偵測(cè)及網(wǎng)絡(luò)切換。內(nèi)部所提供的PWM輸出可高達(dá)10位的分辨信號(hào)可控制驅(qū)動(dòng)器使用，搭配于PFD也可使用于發(fā)聲組件上產(chǎn)生美妙音樂(lè)。

　　該款HY11P13微控制器不僅待機(jī)電流低于3μA，睡眠電流更是低于1μA，在使用內(nèi)建震蕩器于啟動(dòng)A/D應(yīng)用時(shí)整個(gè)芯片消耗電流僅750μA，大大延長(zhǎng)電池壽命，內(nèi)建多組的電壓偵測(cè)點(diǎn)，更可適時(shí)監(jiān)控電池電壓的消耗。

　　本文則針對(duì)纮康科技HY11P13 八位MCU，在僅使用少數(shù)被動(dòng)組件下，做出最簡(jiǎn)單的A/D應(yīng)用，而其高性能的A/D更可應(yīng)用在許多溫度、壓力、氣體傳感器或體重(脂)秤上，只需簡(jiǎn)單應(yīng)用電路，即可達(dá)到應(yīng)用需求，大大減少一般要增加OPA線路或是濾波線路來(lái)達(dá)到信號(hào)放大或穩(wěn)定需求。下列則使用內(nèi)建18bit Σ-△ A/D進(jìn)行大訊號(hào)40000 counts電壓測(cè)量、小訊號(hào)10000 counts電壓測(cè)量、及內(nèi)建溫度Sensor的溫度測(cè)量，在單點(diǎn)溫度校正下可實(shí)現(xiàn)-40℃~85℃范圍內(nèi)僅±3℃的最大溫度誤差。