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(hào)模塊都適合與微控制器同處一塊芯片上。

當(dāng)混合信號(hào)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(hào)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(duì)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?hào)進(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(hào)被外來噪聲干擾的機(jī)會(huì)。取樣之后，SAR轉(zhuǎn)換器所做的每個(gè)位判定動(dòng)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(duì)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(duì)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(huì)。

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(dòng)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(duì)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(cè)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(jí)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(huì)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(zhǎng)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(dòng)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(cè)、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。