高精度数据采集SoC方案

高精度数据采集SoC方案

　随着地球资源日趋减少，人们越来越需要通过信息寻找节约资源的方法和途径，以至于许多经济学家和科学家将信息视为新概念能源。在众多信息中，有一类信息是取自于自然的，即模拟量，如重量、压力、温度......为了使这些信息自动进入信息系统，必须使用各种各样的传感器将这些模拟量转换成电压，然后通过电压转换电压转换单元（即模数转换器，ADC）和微数据处理单元实现信息的转换和传输，传感器、电压转换单元、微数据处理单元就像信息系统的“触角”，这个触角越发达，系统的效率就越高。
在上述信息系统的“触角”中，电压转换单元的技术性能决定了整个触角的性能，成为信息传递的瓶颈，实现电压转换的技术方案很多，其中一种工作原理称为Σ-Δ方式的电压转换器件。与同等精度的其他方式相比，其集成度高、功耗低、体积小，近年来品种越来越多，应用领域越来越广泛，已经成为中、低速电压转换器件的主流方式。本文将分析此类ADC转换技术发展趋势，并以芯海科技集成高精度ADC和MCU的SoCSoC产品探讨创新产品架构设计思路和技术。
把握技术发展趋势
Σ-ΔADC成为高精度模数转换器产品设计的主流技术，通过多年发展，目前基本上出现以下的产品发展趋势：
高增益、高精度型：为了满足计量器具，如电压表、衡器等的要求，该型转换器件的分辨力达24位，可编程放大器的增益达128倍，增益温度漂移系数不到1ppm/℃，通过减小噪声的措施使得低数据输出速率下（3.75—10Hz）的噪声峰峰值仅55nVp-p，有效位数达到20位以上。其性能可以与各种积分方式（如双积分、多积分、电荷平衡）电路相媲美，而体积更小、成本更低，适合更广泛的应用。
高速型：应用于动态测量场合需要有高的输出速率，高速Σ-Δ器件在分辨力为24位，可编程放大器的增益达128倍时，4.8KHz数据输出速率下的噪声峰峰值仅2μV，有效位数已能达到15位。在这个速率下，已不适合积分式转换电路工作，而与传统的逐次比较方式相比，结构工艺简单、成本低是 Σ-Δ器件的优势。
片上系统型：在实际应用中，电压转换技术与数据处理技术总是紧密结合的，在一个芯片上将两者同时制出，形成所谓“片上系统（或单片系统，简记为SoC）”，简化了信息触角电路的结构，减小了其体积，降低了成本，使得大量增加信息系统触角的技术方案有了现实的技术基础。尤其是片上系统非常适合嵌入到传感器内部，成为一体化的触角（数字传感器），为将来信息系统的发展和开辟新构架创

造了基础条件。
目前市场上最常见的高精度数据采集数据采集技术方案可大致分为三个档次：一是用于0.1%精度水平的以Cirrus logic公司CS5460、CS5550加通用MCU为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为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为基本配置的高端方案。在低功耗方面，如果与独立ADC配对的是价格较低的通用MCU，那么其电路的总功耗总要大于 SoC电路的功耗，如果选用低功耗MCU（如TI公司的MSP430系列）与ADC配对，那么其价格比较高。传统的“ADC+MCU”市场在高精度和低功耗方面发生了分化，这种分化培育了SoC市场。
事实上，大约10几年前已经有人将ADC与MCU制作在一个芯片上，但一直将ADC作为MCU的附加外围电路供配置选用，其ADC单元的性能一直不能满足系统的要求。拥有领先ADC技术的深圳芯海科技公司认识到集成高精度ADC的SoC产品方向的发展潜力，反客为主，以高增益高精度型ADC 为核心，将MCU作为ADC的后续处理单元，推出了专门用于高精度数据采集的SoC器件，尽管其中MCU的性能并不突出，但作为SoC器件，系统的技术经济综合指标明显优于用其他器件构成同类系统。
创新设计实现领先性能优势
除了上述创新产品架构设计思路，芯海科技的高精度数据采集SoC产品中还实现了多项技术上的创新和改进，从而在产品创新的同时保证了满足系统应用的高性能要求。主要的技术创新包括采用高精度Σ-Δ调制器、高性能的DSP信号处理DSP信号处理模块和高性能PGA实现方式（已申请相关专利），等等。
高精度Σ-Δ调制器。高精度ADC，特别是嵌入了处理器的SoC芯片，噪声模拟模型非常复杂，除了量化噪声及模拟部分各种器件的热噪声、 1/f噪声外，还有数字电路随时钟节拍运行时产生的衬底噪声和电源噪声。这些噪声源都严重地影响了高精度Σ-Δ调制器的性能。为此，芯海科技公司技术专家们在模拟部分设计时，充分考虑了这些噪声的调制和成型，创新性地使用了四阶随机斩波Σ-Δ调制器。从图1中可以得到四阶Z域的传输函数为：
可以看出，经过这个调制器后，输入信号X(Z)没有什么变化，仅仅是增加了延迟，但是量化噪声被函数H(Z)=(1-Z-1)4所加权，成为高频成分，这个函数我们称为噪声成型函数。利用调制器后面的降采样滤波器，我们可以将高频部分（基带以外）的量化噪声滤除，这样我们就得到了信噪声比极高的量化信号。


高性能的DSP信号处理模块。高精度的ADC除了低噪声的模拟调制器外，高性能的D

SP模块同样起着至关重要的作用。这个滤波器，既要保证足够高的信噪比，又要考虑系统对信号的延迟。现在的测量系统，通常都要求“One Cycle Settle”，即单周期建立。为此，在此类SoC设计中采用了先进行高速高阶滤波器，再加一阶滤波输出的方式，来同时达到高的性噪比和高的响应速度。


高性能PGA实现方式。由于高精度ADC所探测的信号非常微弱，必须要通过前置放大器对信号进行放大，提高信噪比。前置放大器在放大信号的同时，自身也会产生噪声，并且会限制系统的共模输入范围，增加系统成本及功耗。芯海科技采用了特有的低功耗、低噪声、低成本PGA实现方式，设计出了高性能的SoC方案，大大提高了产品的市场竞争力。
小结
基于上述创新设计思路和技术的SoC产品如CSU12xx及CSU1101B，与同类竞争产品相比主要优势特性一是精度高，二是低功耗。基于这些优势特性，目前该类多系列的SoC已经成功应用于包括高性能太阳能自动上位人体秤、电子血压计等应用，实现了超过50万片的累积销量，成功地帮助芯海科技在国内数据采集器件市场占有了一席之地。