在MCU系統(tǒng)中如何利用ADC技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集

　　使用MCU的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員受益于摩爾定律，即通過更小封裝、更低成本獲得更多的豐富特性功能。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和MCU廠商關(guān)心數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的三個基本功能：捕獲、計(jì)算和通信。理解全部功能對設(shè)計(jì)大有幫助，本文將主要關(guān)注數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的捕獲階段。

　　捕獲

　　復(fù)雜的混合信號MCU必須能夠從模擬世界中捕獲某些有用信息，并且能夠把連續(xù)時間信號轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字形式。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)是完成這項(xiàng)任務(wù)最重要的MCU外設(shè)，因此ADC的性能往往決定何種MCU適用于何種應(yīng)用。MCU也能夠通過各種串行或并行數(shù)字I/O接口捕獲來自外部信號源的數(shù)字形式的系統(tǒng)信息。

　　計(jì)算

　　信號捕獲后，需要對捕獲數(shù)據(jù)進(jìn)行某些處理;有時僅僅需要模數(shù)轉(zhuǎn)換，但是更多情況下必須要對捕獲的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行計(jì)算。MCU行業(yè)中持續(xù)進(jìn)行的數(shù)字化演變，帶給系統(tǒng)開發(fā)人員更先進(jìn)的信號處理水平和更高的處理器速度。因此，嵌入式開發(fā)人員現(xiàn)在對8位、16位和32位混合信號MCU有更多的選擇余地，以便適應(yīng)各種成本/性能目標(biāo)。開發(fā)人員也有更多片上選擇(on-chip options)可用于完成系統(tǒng)任務(wù)。此外，MCU的硬宏(hard-macro)能自動處理，在外設(shè)中集成的功能狀態(tài)機(jī)可完成常見的處理器任務(wù)。

　　通信

　　最后，為了控制過程中的信息交換，某種形式的通信是必要的。此功能可以相當(dāng)簡單，也可以相當(dāng)復(fù)雜。通信甚至可以是模擬輸出的電壓或電流，通常使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)把捕獲和處理的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到模擬形式來實(shí)現(xiàn)。

　　基于多功能MCU的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　MCU數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵是ADC.在電子行業(yè)中最常見的ADC類型一般是逐次逼近型ADC(SAR ADC)。許多MCU使用SAR ADC是因?yàn)樗谒俣群托阅芙M合上的靈活性。在MCU中，SAR ADC的精確度可以從8位到16位，吞吐速率范圍可以從極慢的按需轉(zhuǎn)換請求到每秒超過100萬次轉(zhuǎn)換。但是ADC僅僅是完整數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的一部分。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的其他部分也可增加其靈活性，包括信號輸入接口、參考電壓接口、用于ADC的時鐘和采樣系統(tǒng)以及用于轉(zhuǎn)換后ADC輸出數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)管理。

　　通常情況下，模擬信號輸入接口共享一個通用輸入輸出(I/O)緩沖器結(jié)構(gòu)體，此結(jié)構(gòu)體可配置為數(shù)字域或模擬域，或者也可以由兩個域共用。多配置性實(shí)現(xiàn)方法允許設(shè)計(jì)人員根據(jù)其系統(tǒng)需求在多個芯片引腳上劃分模擬和數(shù)字功能。作為輸入多路復(fù)用器的一部分，最常見的輔助輸入之一是片上的溫度傳感器;其他的重要輸入包括內(nèi)部電壓。

　　一旦系統(tǒng)的輸入通道配置完成，嵌入式設(shè)計(jì)人員就可以利用程序代碼選擇任意通道，并請求ADC轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)人員也可以選擇免除程序代碼，而允許ADC通道定序器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的通道輸入進(jìn)行循環(huán)，直到檢測出重要事件。

　　數(shù)據(jù)采集

　　系統(tǒng)的另一個重要方面是ADC參考電壓(VREF)。參考電壓用來設(shè)置系統(tǒng)的輸入動態(tài)范圍或量程，并能顯著影響整體噪聲性能。多路轉(zhuǎn)換器通常用于從多種板上和外部參考電壓輸入中選擇VREF.常用的參考電壓包括MCU內(nèi)部生成的緩沖帶隙電壓的倍頻電壓、片外生成的精確參考電壓以及多種外部電源電壓，以上可選參考電壓都兼容I/O緩沖器結(jié)構(gòu)體和ADC限制。

　　如此多的輸入通道，使人們很容易想象到，在某些系統(tǒng)中一個或多個引腳的輸入動態(tài)范圍可能不兼容單一VREF電壓。為了解決這個問題，Silicon Labs Precision32 MCU集成輸入級聯(lián)增益，根據(jù)ADC型號不同可能有0.5或1倍的增益，這樣通過調(diào)整輸入信號可更好的兼容選擇VREF.

　　ADC轉(zhuǎn)換循環(huán)

　　ADC的時鐘系統(tǒng)要易于配置，以便支持MCU應(yīng)用的多種用途。SAR ADC屬于奈奎斯特率轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員要仔細(xì)選擇以滿足采樣率至少兩倍于輸入信號帶寬的奈奎斯特準(zhǔn)則。當(dāng)配置ADC時，開發(fā)人員還必須考慮兩個計(jì)時任務(wù)。這兩個任務(wù)涉及ADC轉(zhuǎn)換循環(huán)和MCU系統(tǒng)內(nèi)的可用時鐘源。轉(zhuǎn)換循環(huán)有兩部分組成：一個是跟蹤周期，一個是轉(zhuǎn)換周期，如圖1所示。

　　圖1：ADC轉(zhuǎn)換循環(huán)。

　　跟蹤周期是轉(zhuǎn)換循環(huán)中當(dāng)ADC輸入電路連接到輸入信號時所花費(fèi)的那部分時間。輸入采樣發(fā)生在跟蹤周期結(jié)束并且輸入電路從輸入源斷開時。這一刻是由連接到ADC的數(shù)字控制信號引起的，稱為轉(zhuǎn)換啟動(CNVST)。該命名恰如其分，CNVST標(biāo)志著跟蹤周期的結(jié)束和轉(zhuǎn)換周期的開始。

　　轉(zhuǎn)換周期是ADC執(zhí)行逐次逼近寄存器(SAR)邏輯時的那部分ADC轉(zhuǎn)換循環(huán)。ADC用于跟蹤輸入信號的時間量與ADC的輸入負(fù)載特性、信號源的驅(qū)動能力和測量所需的精度要求相關(guān)。MCU器件規(guī)格手冊列出ADC輸入模型，給出ADC輸入的輸入電容、電阻和漏電流值。為了精確測量，開發(fā)人員應(yīng)當(dāng)為輸入信號穩(wěn)定保留足夠的跟蹤時間，最好超過0.5 LSB.

　　雖然轉(zhuǎn)換周期通常是一個與SAR ADC時鐘周期有關(guān)的可配置時間量，即對于每一位的判別時間，但他最好是采用CNVST請求之間的時間量描述跟蹤時間，而不是SAR轉(zhuǎn)換周期。簡單的說，如果ADC沒有處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)，那他就處于跟蹤狀態(tài)。轉(zhuǎn)換請求之間的過長時間會導(dǎo)致更多的跟蹤時間。為了解決這個問題，Silicon Labs MCU系列產(chǎn)品提供在轉(zhuǎn)換請求之間關(guān)閉跟蹤電路的功能，從而可降低系統(tǒng)功耗。

　　ADC轉(zhuǎn)換吞吐速率是轉(zhuǎn)換請求的頻率，通常命名為符號Fs.最大吞吐速率的設(shè)定通常由ADC的最小跟蹤時間以及最小轉(zhuǎn)換時間限定。恒定的吞吐速率是通過發(fā)送同樣時間間隔的轉(zhuǎn)換請求流來實(shí)現(xiàn)的。對于管理兩個關(guān)鍵的計(jì)時任務(wù)來說，可配置的ADC時鐘系統(tǒng)是必不可少的。

　　計(jì)時任務(wù)之一是生成用于轉(zhuǎn)換周期期間的時鐘，用于執(zhí)行SAR算法。與轉(zhuǎn)換周期相關(guān)的SAR時鐘(SARCLK)通常來自MCU系統(tǒng)時鐘。SARCLK的可配性需要適應(yīng)MCU系統(tǒng)時鐘，時鐘頻率范圍從不到1MHz到超過100MHz.由于ADC內(nèi)部的比較器設(shè)計(jì)，將產(chǎn)生SAR轉(zhuǎn)換邏輯被定時的最大速率。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須小心配置SARCLK頻率，避免超過其最大時鐘速率規(guī)格。另一個計(jì)時任務(wù)是生成轉(zhuǎn)換請求采樣速率，其不能超過給定適當(dāng)轉(zhuǎn)換周期配置的ADC轉(zhuǎn)換器的最大吞吐速率。