解析创新高精度数据采集SoC设计方案

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SoC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。

 
图1：Casecode结构四阶Σ-Δ调制器Z域模型。

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DSP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。
 

图2：基于CSU12xx和CUS10xx系列SoC的电子血压计。

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。