A/D轉(zhuǎn)換器和微控制器——走向集成

許多微控制器廠商正在把模擬電路移入微控制器中，因?yàn)樗麄兇_信模擬單元在重要的方面能與邏輯門相抗衡：它們具有通用的功能，有廣泛的用途。在被考慮移入微控制器的模擬電路中就有A/D轉(zhuǎn)換器，當(dāng)然不是所有的模擬或混合信號模塊都適合與微控制器同處一塊芯片上。

當(dāng)混合信號器件作為控制器的一部分時(shí)，如逐次近似寄存器（SAR）轉(zhuǎn)換器，不同的應(yīng)用情形下計(jì)算要求似乎差別很大。當(dāng)控制器作為混合信號器件的一部分時(shí)，如Δ-Σ型轉(zhuǎn)換器，計(jì)算要求是特定的，且針對性地強(qiáng)化了A/D轉(zhuǎn)換器的性能，并使其效率得以提高。

SAR轉(zhuǎn)換器

SAR轉(zhuǎn)換器很適合與微控制器集成。SAR能夠?qū)斎胄盘栠M(jìn)行快速取樣（通常在幾個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成），從而減少了取樣信號被外來噪聲干擾的機(jī)會。取樣之后，SAR轉(zhuǎn)換器所做的每個(gè)位判定動作與系統(tǒng)時(shí)鐘同步，這樣就降低了在做出位判定時(shí)控制器對轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生數(shù)字串?dāng)_的可能性。

SAR轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部電路相對硅片面積而言是很小的，但它基本上也是模擬的。加到基本SAR轉(zhuǎn)換器（見圖1）上的常用功能是電壓基準(zhǔn)和/或輸入復(fù)用器。一些轉(zhuǎn)換器實(shí)際上是自校準(zhǔn)型的。

SAR的轉(zhuǎn)換過程比Δ-Σ型轉(zhuǎn)換

器的轉(zhuǎn)換過程快。由SAR進(jìn)行一個(gè)完整的轉(zhuǎn)換所需的時(shí)鐘脈沖通常不超過兩個(gè)脈沖加轉(zhuǎn)換器位數(shù)。例如：一個(gè)12位轉(zhuǎn)換器一般需要14個(gè)時(shí)鐘脈沖。

如果將SAR轉(zhuǎn)換器與微控制器集成，這種方便的轉(zhuǎn)換方法就能夠顯示出極大的優(yōu)越性。其中包括：

1． 速度。 SAR轉(zhuǎn)換器完成任務(wù)的速度極快，因此微控制器能夠執(zhí)行應(yīng)用中的其他任務(wù)。

2． 噪聲抑制。 快速的轉(zhuǎn)換時(shí)間減少了噪聲進(jìn)入轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的機(jī)會。

3． 芯片數(shù)量減少。 這兩項(xiàng)功能的集成減少了電路板上的芯片數(shù)量。

由于SAR轉(zhuǎn)換器多半是模擬的，因此將其集成進(jìn)微控制器中并不理想。但是，它所具有的較小的占用面積、通用性以及較快的轉(zhuǎn)換時(shí)間使其成為一種更具吸引力的“伙伴型”器件。

一般地，在轉(zhuǎn)換期間，微控制器的動作可以終止。在PIC微控制器中，只需采用睡眠方式就可執(zhí)行這一功能。

談到計(jì)算要求，獨(dú)立型SAR幾乎不需要額外的器件。在SAR轉(zhuǎn)換之后，如果需要的話，微控制器通常針對每一種應(yīng)用要求執(zhí)行進(jìn)一步的計(jì)算或校準(zhǔn)。

圖1

Δ-Σ型 A/D轉(zhuǎn)換器

與SAR轉(zhuǎn)換器相反，Δ-Σ型轉(zhuǎn)換器需要數(shù)百個(gè)時(shí)鐘脈沖來輸出足夠的1位代碼以實(shí)現(xiàn)一個(gè)有效的數(shù)字濾波器，并由此獲得16位以上的精度。一旦全部的1位代碼累積起來，轉(zhuǎn)換器就把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成為一個(gè)多位結(jié)果。

Δ-Σ型轉(zhuǎn)換過程的核心是一個(gè)多指令調(diào)制器和一個(gè)數(shù)字/抽取濾波器。Δ-Σ型轉(zhuǎn)換器采用過取樣和數(shù)字濾波以獲得毫微伏的最低有效位（LSB）范圍的高精度。

如此小的LSB是無法采用SAR轉(zhuǎn)換器獲得的。這種精度是以犧牲速度、測試時(shí)間和硅片尺寸為代價(jià)的。但是，折衷的結(jié)果是模擬輸入級能基本上變?yōu)橐粋€(gè)單極R/C濾波器，而且器件也更適用于數(shù)字工具。

在Δ-Σ型轉(zhuǎn)換過程中，由于噪聲必須保持在最低水平上，所以，如果把Δ-Σ型轉(zhuǎn)換器與微控制器集成，則在微控制器中不能執(zhí)行其他的處理任務(wù)。另一方面，Δ-Σ型轉(zhuǎn)換器需要校準(zhǔn)——這是獨(dú)立型轉(zhuǎn)換器中始終具備的能力。此外，這種架構(gòu)便于加入一個(gè)可編程增益放大器，這會帶來很大的好處。

除非1位分辨率已經(jīng)足夠，否則還需要采用一個(gè)數(shù)字濾波器。由于濾波需要時(shí)間，所以轉(zhuǎn)換需要耗費(fèi)更長的時(shí)間才能完成。由于轉(zhuǎn)換器本質(zhì)上是一個(gè)過取樣器件，因此，在轉(zhuǎn)換期間，應(yīng)最大限度地減少微控制器的動作，以獲得可能的最佳精度。

Δ-Σ型A/D轉(zhuǎn)換器的其他典型特征有：轉(zhuǎn)換同步能力、空閑音調(diào)檢測、過流指示器、內(nèi)部振蕩器以及一個(gè)電壓基準(zhǔn)。在SAR轉(zhuǎn)換器中，這些功能的專用性要比附加功能高得多。