解析創(chuàng)新高精度數(shù)據(jù)采集SoC設計方案

隨著地球資源日趨減少，人們越來越需要通過信息尋找節(jié)約資源的方法和途徑，以至于許多經(jīng)濟學家和科學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進入信息系統(tǒng)，必須使用各種各樣的傳感器將這些模擬量轉換成電壓，然后通過電壓轉換單元（即模數(shù)轉換器，ADC）和微數(shù)據(jù)處理單元實現(xiàn)信息的轉換和傳輸，傳感器、電壓轉換單元、微數(shù)據(jù)處理單元就像信息系統(tǒng)的“觸角”，這個觸角越發(fā)達，系統(tǒng)的效率就越高。

在上述信息系統(tǒng)的“觸角”中，電壓轉換單元的技術性能決定了整個觸角的性能，成為信息傳遞的瓶頸，實現(xiàn)電壓轉換的技術方案很多，其中一種工作原理稱為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，近年來品種越來越多，應用領域越來越廣泛，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ADC轉換技術發(fā)展趨勢，并以芯?？萍技?strong>高精度ADC和MCU的SoC產品探討創(chuàng)新產品架構設計思路和技術。

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

高增益、高精度型：為了滿足計量器具，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(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：應用于動態(tài)測量場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，4.8KHz數(shù)據(jù)輸出速率下的噪聲峰峰值僅2μV，有效位數(shù)已能達到15位。在這個速率下，已不適合積分式轉換電路工作，而與傳統(tǒng)的逐次比較方式相比，結構工藝簡單、成本低是Σ-Δ器件的優(yōu)勢。

片上系統(tǒng)型：在實際應用中，電壓轉換技術與數(shù)據(jù)處理技術總是緊密結合的，在一個芯片上將兩者同時制出，形成所謂“片上系統(tǒng)（或單片系統(tǒng)，簡記為SoC）”，簡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(tǒng)觸角的技術方案有了現(xiàn)實的技術基礎。尤其是片上系統(tǒng)非常適合嵌入到傳感器內部，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)展和開辟新構架創(chuàng)造了基礎條件。

目前市場上最常見的高精度數(shù)據(jù)采集技術方案可大致分為三個檔次：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，那么其價格比較高。傳統(tǒng)的“ADC+MCU”市場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。

事實上，大約10幾年前已經(jīng)有人將ADC與MCU制作在一個芯片上，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。擁有領先ADC技術的深圳芯?？萍脊菊J識到集成高精度ADC的SoC產品方向的發(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)的技術經(jīng)濟綜合指標明顯優(yōu)于用其他器件構成同類系統(tǒng)。

創(chuàng)新設計實現(xiàn)領先性能優(yōu)勢
除了上述創(chuàng)新產品架構設計思路，芯?？萍嫉母呔葦?shù)據(jù)采集SoC產品中還實現(xiàn)了多項技術上的創(chuàng)新和改進，從而在產品創(chuàng)新的同時保證了滿足系統(tǒng)應用的高性能要求。主要的技術創(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實現(xiàn)方式（已申請相關專利），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(shù)字電路隨時鐘節(jié)拍運行時產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專家們在模擬部分設計時，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(shù)為：
 
可以看出，經(jīng)過這個調制器后，輸入信號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，成為高頻成分，這個函數(shù)我們稱為噪聲成型函數(shù)。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。
 
圖1：Casecode結構四階Σ-Δ調制器Z域模型。

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模塊同樣起著至關重要的作用。這個濾波器，既要保證足夠高的信噪比，又要考慮系統(tǒng)對信號的延遲?，F(xiàn)在的測量系統(tǒng)，通常都要求“One Cycle Settle”，即單周期建立。為此，在此類SoC設計中采用了先進行高速高階濾波器，再加一階濾波輸出的方式，來同時達到高的性噪比和高的響應速度。
 
圖2：基于CSU12xx和CUS10xx系列SoC的電子血壓計。

高性能PGA實現(xiàn)方式。由于高精度ADC所探測的信號非常微弱，必須要通過前置放大器對信號進行放大，提高信噪比。前置放大器在放大信號的同時，自身也會產生噪聲，并且會限制系統(tǒng)的共模輸入范圍，增加系統(tǒng)成本及功耗。芯海科技采用了特有的低功耗、低噪聲、低成本PGA實現(xiàn)方式，設計出了高性能的SoC方案，大大提高了產品的市場競爭力。

小結：
基于上述創(chuàng)新設計思路和技術的SoC產品如CSU12xx及CSU1101B，與同類競爭產品相比主要優(yōu)勢特性一是精度高，二是低功耗?；谶@些優(yōu)勢特性，目前該類多系列的SoC已經(jīng)成功應用于包括高性能太陽能自動上位人體秤、電子血壓計等應用，實現(xiàn)了超過50萬片的累積銷量，成功地幫助芯?？萍荚趪鴥?strong>數(shù)據(jù)采集器件市場占有了一席之地。