東芝設計用於智慧電錶的新型微控制器集成了高精度的Δ∑AD轉換器來精確測量功耗。本文將介紹AD轉換技術的基本原理和Δ∑AD轉換器的工作原理。 智慧電錶的使用 近年來，節能已成為我們日常生活中最重要的問題之一。有些發達國家打算引進智慧電網系統以實現能源的最有效供應。智慧電網系統要求智慧電錶能夠精確測量用電量，並通過無線方式即時傳輸資料。東芝研製了一種新型微控制器，旨在為智慧電錶的設計提供單晶片解決方案，同時集成了高精度的Δ∑AD轉換器來測量功耗。 傳統型AD轉換器 在介紹Δ∑AD轉換器之前，我們將對傳統型AD轉換器進行解釋。我們有適用于不同應用的各類AD轉換器。直接轉換型、逐次逼近型和集成型AD轉換器都是廣泛使用的轉換器。下面簡要說明各種類型的AD轉換器。 （1）直接轉換型AD轉換器 這種類型的AD轉換器能一次性地將類比輸入信號轉換為數位資料。就像測量長度一樣。轉換時間很短，僅需要一個時鐘週期。其缺點是電路面積大，功耗大。電路配置如下，在滿標度電壓Vmax和接地之間連接由多個電阻串聯而成的電路，並在串電阻上以一定的間隔設置適當數量的端子。每個端子連接到一個比較器，在比較器中，端子電壓與類比輸入電壓進行比較。當類比輸入電壓大於端子電壓時，比較器輸出高電平；當類比輸入電壓小於端子電壓時，比較器輸出低電平。 比較器輸出值將作為一個整體被轉換成二進位碼。 並行AD轉換器 （2）逐次逼近型AD轉換器 逐次逼近型操作將生成類比電壓作為參考，並將參考電壓與輸入類比電壓進行比較。這個過程可以這種類型的8位AD轉換器為例進行說明。這種類型的AD轉換器中可使用一個DA轉換器。 DA轉換器可執行AD轉換器的反向功能，將數位資料轉換為類比資料。首先，MSB（最高有效位；位7）設置為1，其它7位設置為0。這就是採用二進位碼（10000000）。它進入DA轉換器，轉換器將生成Vmax一半的輸出電壓。輸出電壓將通過比較器與類比輸入電壓進行比較。當類比輸入大於DA轉換器輸出值時，MSB保持為1。相反，當模擬輸入較小時，該位重置為0。 在下圖所示的例子中，類比輸入大於DA轉換器輸出值，所以MSB保持為1。接下來，第二個MSB位（位6）設置為1，這樣就形成了本例中的二進位碼（11000000）（MSB為1）。該代碼被輸入到DA轉換器，並將轉換器輸出值與模擬輸入進行比較。本例中的結果是位6為0。 如此以同樣的方式，從較高有效位元對每一位進行比較。最後，數位資料（10110111）保留在8位寄存器中。該值是對輸入類比資料進行轉換後的數位資料。逐次逼近型具有面積小、功耗低等優點，適用於微控制器中的嵌入式AD轉換器。 逐次逼近型AD轉換器 （3）集成型AD轉換器 其中一種集成型轉換器可以計算出從底部向上爬並達到類比輸入電壓水準所需的步數。轉換器電路由DA轉換器、計數器和比較器組成。每當計數器按時鐘遞增時，計數值將通過DA轉換器轉換為類比值，並將輸出值與類比輸入電壓進行比較。增量繼續，直到比較器檢測到DA轉換器輸出值等於或大於類比輸入。此時，轉換後的數位值就是計數器中的值。這種類型應該可以獲得更高的精度。但是缺點是轉換時間長。 集成型AD轉換器 採樣與量化雜訊 為了將類比信號轉換成數位信號，需要對類比信號進行採樣。即使在理想情況下採樣的類比值能精確地轉換為相應的數位值，但相鄰的採樣值之間的其餘類比信號永遠不會轉換。因此，數位值與初始類比值之間存在一些誤差。這種誤差稱為量化誤差或量化雜訊。只要採樣是必需進行的，就不可能進行無雜訊量化轉換。所以我們應該考慮如何降低量化雜訊？最簡單的解決方案之一是提高採樣頻率；頻率越高，雜訊越小。但是因為轉換時間太短，所以無法在非常高的頻率下將類比轉換為數位。 現在，讓我們考慮如何以其它方式降低量化雜訊 相鄰採樣值之間的類比信號平滑變化。如果需要重新創建平滑掃描線，則必須在當前採樣之前獲取多個採樣資料以進行計算。Δ∑AD轉換器將通過非常精密的方法編輯採樣資料以執行高精度轉換，從而大大降低量化雜訊。 量化雜訊的降低 作者：東芝半導體 / 出處https://toshiba-semicon-storage.com/cn/semiconductor/knowledge/e-learning/village/ad-converter.html 現在，我們介紹一下Δ∑AD轉換器。Δ（delta）表示減法，∑（sigma）表示加法（或積分）。轉換器的工作是，首先從輸入模擬值中減去參考值，然後加上減法所得差（積分），雖然實際電路非常複雜，但我們在這裡介紹一下最簡單的模型。 ΔΣAD轉換器 （1）電路配置 Δ∑AD轉換器使用Δ∑調製方法將類比信號轉換為數位信號。Δ∑調製單元由四個功能模組組成。這四個功能模組是指四個電路，分別是Δ（減法）電路、∑（加法或積分）電路、量化電路、開關電路。Δ電路將從輸入類比值中減去某個值，∑電路將按順序加上Δ電路的輸出值，量化電路將∑電路的輸出值與參考電壓進行比較，並根據∑電路的級數輸出數位值1或0；開關電路的輸出值將由量化電路的輸出值進行選擇，並進入Δ電路。 ΔΣ調製 （2）ΔΣ調製的功能 上表解釋了Δ∑調製的功能。 ・類比值Va進入Δ電路。Δ電路的另一個輸入值是Vo，它是開關電路的輸出值。Vo的值可以是Vref或-Vref，本例中的初始值假定為Vref，然後，Δ電路中的計算結果變為Va－Vref（＝Δ）。實際上，Δ是負值，因為Vref是輸入信號的最大值，它將進入∑電路。 ・假設∑電路的初始輸出值為0V，則加法結果為0＋Δ = Δ. ・該值被傳送到量化電路。這裡的參考電壓假定為0V。量化電路將輸入值（∑電路的輸出值）與參考電壓進行比較，當輸入值大於參考電壓時輸出1，當輸入值小於參考電壓時，輸出0。本例中的值Δ為負。所以量化電路的輸出值是0。一個時鐘週期的操作到此結束。 ΔΣ調製的操作 在下一個時鐘開始時，開關電路將生成-Vref作為Vo，因為量化輸出值在上一個時鐘結束時為0。電流類比值Va'使得Δ電路的輸出值為Va'－（－Vref）＝Va'＋Vref（=Δ'）。而∑電路的輸出結果是Δ＋Δ’。如果該值大於0V（該值為正），則量化電路輸出值為1。相反，如果它小於0V，則輸出值為0。 如上所述，減法、加法和比較（量化）的操作序列將生成由1或0組成的一系列數位資料。初始的類比信號能在量化雜訊很小的情況下利用串列數位資料的1或0出現的頻率來恢復。 Δ∑調製的一個顯著特點在於∑電路的輸出值。在圖表中，∑電路輸出值（橫條圖）與平滑類比輸入信號相比變化迅速。條形在輸入信號的0V交叉點附近跳動，條形跳到頂部區域的最高點，隨後逐漸降低，直至底部，再逐漸升高，反之亦然。雖然∑電路輸出值與輸入類比信號有很大的不同，但它包含了輸入類比信號的幅度和變化趨勢的資訊。 ΔΣ調製 這並不容易。但看看串列數位資料，您能想像出輸入類比信號的形狀，不是嗎？也就是說，連續的1表示山的形狀，連續的0表示山谷的形狀，資料1和0的交替，我猜可以表示斜坡。 高精度技術 我們利用最簡單的模型解釋了工作原理。實際器件具有更精密的技術來保證Δ∑AD轉換器的高精度。採樣頻率應該更高。一般來說，較高的頻率使得AD轉換器的量化雜訊較小，這與Δ∑AD轉換器的情況相同。 如前所述，Δ和∑過程將顯著降低量化雜訊，而且多個Δ∑將使得AD轉換器實現更高的精度。兩級Δ∑過程稱為二階∑調製。在一個實際的Δ∑AD轉換器中，通常需要建立四級四階Δ∑調製。 二階ΔΣ調製 實現更高精度的另一種方法是增加量化位。到目前為止，我們已經解釋了1位量化。假設量化位元變為兩個，量化電路的輸出將是2位元資料，如（11）、（10）、（01）和（00）中的一個。開關電路將相應地選擇Vref、Vref／3、-Vref／3和–Vref，這四個電壓中的一個。這也將大大提高轉換精度，而且位數越多，精度就越高。 雙位元量化Δ∑調製 這是用於Δ∑AD轉換器中旨在提高轉換器性能的非常獨特的轉換方法。以上東芝分享內容希望能讓大家多一層理解東芝MCU Δ∑AD轉換器技術。也歡迎大家多多參考東芝MCU官網搜尋符合您的產品方案！也請多多利用東芝正式代理商 -- 世平興業股份有限公司 來為您提供服務 |
