ADC技術幫助實現(xiàn)更精確測量

任何計量和醫(yī)療測量應用的一個關鍵考慮和成功因素就是模數(shù)轉換器(ADC)模塊。儀表和監(jiān)視器將真實世界中的信號，即(定義上所說的)模擬信號，轉換到數(shù)字電子領域來處理、記錄和應對。用微控制器(MCU)讀取并由ADC模塊進行轉換的最常見的測量信號是電壓和電流，因為所有傳感器都能夠轉換到這一電子領域。系統(tǒng)設計人員為其應用選擇一款帶有最合適ADC模塊的MCU，并不像尋找信號粒度那樣簡單。分辨率只是部分考慮因素，除此之外，還要分析速度、線性度、噪聲和其他導致測量誤差的因素，并了解它們的影響。首先要找到一款合適的MCU產(chǎn)品，其次是了解ADC模塊并使用該模塊，以最大程度地減少不利影響，甚至將這些因素轉化為系統(tǒng)的優(yōu)勢。

電表、高精度醫(yī)療設備等應用需要測量非常小的信號，因此，在為應用設計選擇MCU時，ADC的分辨率通常是一個關鍵性的參數(shù)(即10位、12位或16位分辨率)和考量因素。需要記住的是，所有ADC都存在固有的誤差，因為它們需要對真實世界的信息進行轉換，以離散的步長將信號進行數(shù)字化，這個過程被稱為量子化。因此，數(shù)字輸出不能完美地表示模擬輸入信號。例如，對于5V的最大輸入電壓，一個16位轉換器將提供的最低有效位(LSB)步長為76uV。因此，ADC只能以76uV的步長(76uV、152uV、228uV等)對數(shù)值進行數(shù)字化。對于這種情況，這意味著在最理想的情況下，測量結果的精度絕不會優(yōu)于±0.5LSB(±38uV)。

電表必須能夠準確地測量一個比較大的電流范圍。一款典型的美國電表需要以1%的精度讀取從0.25A到200A范圍的電流。這相當于800個精度為1%的等級(200/0.25)，即80,000(800*100)，等價于16位。橫跨這一電流范圍的電表最大電壓非常小(＜1V＝，因此，使用了差分對輸入將電壓精度降低到5uV左右的水平。

類似地，在一個高精度醫(yī)療器件中，如小型血樣葡萄糖測定儀(0.3μl)，也需要很高的ADC精度。縮小可測量的電壓帶差分輸入，將可比單端輸入提供更好的抗噪聲性能。ADC輸入信號線相當于天線，收集環(huán)境電活動(噪聲)。使用單端輸入時無法分辨信號和噪聲，但是差分輸入的兩種輸入具有相同的噪聲，從而有效地消除了噪聲。在實踐中，差分輸入放大器并未實現(xiàn)完美的匹配，因此轉換結果可能會出現(xiàn)小部分的噪聲電壓。差分輸入放大器與理想情況的接近程度用共模抑制比(CMRR)表示。

不同類型的ADC具有不同的速度(轉換時間)。轉換時間與通道數(shù)成正比。對于一個逐次逼近型ADC(可在飛思卡爾支持16位ADC的9S08MM、MCF51MM、MCF51EM和9S08LH MCU系列中找到)，轉換時間將隨著通道數(shù)的對數(shù)而變化。由于模擬技術本質(zhì)上較數(shù)字技術慢，因此隨著通道數(shù)的增加，所需的轉換時間也將增加。在速度與精度之間需要進行一定程度的權衡。這些逐次逼近型ADC包含獲取輸入電壓(VIN)的采樣和保持電路、一個比較器、一個逐次逼近型寄存器子電路和一個內(nèi)部參考電容數(shù)模轉換器(DAC)(圖1)。DAC為比較器提供一個模擬電壓，它等值于從逐次逼近型寄存器(SAR)輸出的數(shù)字代碼，這個模擬電壓是為了和VIN相比較。

再次以電表為例，市電電壓/電流信號有一個基本的頻率(50/60Hz，因國家而異)。所需的ADC采樣頻率通常被作為測量電源頻率(50/60Hz)的21次諧波所需頻率。這要求采樣頻率達到2*21*60，即2.52kHz或約400us。這意味著所有必需的測量都必須在400us內(nèi)完成。但是，由于電流互感器線圈或類似的系統(tǒng)電路會使電路測量失真，從而產(chǎn)生滯后，這將導致更嚴格的頻率要求。這種滯后意味著，在規(guī)定時間內(nèi)進行電流轉換之前，必須先完成前一個電壓轉換。針對每個CT對這種延遲進行了校準，但是轉換速度可能會降低到所需的5us以下?？扇〉慕鉀Q辦法是使用具有可編程同步硬件觸發(fā)機制的多個獨立的ADC模塊。飛思卡爾的9S08MM、MCF51MM和MCF51EM微控制器提供了一種可編程延遲模塊(PDB)來完成這一任務。

一些ADC器件具有可設置的轉換時間。任何縮短采樣時間的方法都會對轉換精度產(chǎn)生負面影響，因為這將增加采集誤差，誤差產(chǎn)生的原因是采集電路無法在分配的時間內(nèi)為ADC的輸入端充滿電荷。如果不能及時確定結果，縮短SAR保持時間也將增加誤差的機率。這些誤差的嚴重程度取決于ADC和實現(xiàn)方案，但總的原則是允許ADC擁有應用能夠處理的足夠長的比較時間。

不幸的是，其他一些嵌入式ADC特性引入了誤差并降低了精度，包括偏移、增益、溫度漂移和非線性性能。一些ADC，如飛思卡爾最新產(chǎn)品中的16位ADC，具有通過校準減小偏移和增益誤差的能力。校準過程分為三個步驟：采樣、比較和取近似值，可用于調(diào)整轉換結果。許多ADC在端點處表現(xiàn)出一些非線性特性，因為很難測量與參考相同的信號。通常在產(chǎn)品電氣特性中規(guī)定的零標度和滿量程誤差可以應用于轉換結果標度的極端情況。僅考慮這兩個誤差，就可以計算出地電勢與電源之間調(diào)整后的傳遞函數(shù)(圖2中的綠色虛線)。另一種查看這些誤差的方法是借助偏移和增益。一些ADC模塊能夠通過預定的增益調(diào)整和偏移調(diào)整來調(diào)整結果(通過校準)，這些調(diào)整改進了調(diào)整后的傳遞函數(shù)，從而能夠更好地表示理想的傳遞函數(shù)(圖2中的藍線)。

ADC的非線性特性無法由系統(tǒng)糾正，必須由模塊設計人員解決。存在兩種類型的非線性特性，即差分非線性和積分非線性。對很多控制應用來說，差分非線性(DNL)是ADC最關鍵的性能測量指標，因為它代表了ADC將輸入電壓的微小變化與代碼轉換的正確變化相關聯(lián)的能力。DNL指每次轉換的當前代碼寬度(CCW)與理想代碼寬度(ICW)之差。積分非線性(INL)通過凸顯當前和理想的轉換電壓之差來表示實際傳遞函數(shù)中的曲率。很多的ADC都能夠通過一個與ADC通道內(nèi)部相連的片上溫度傳感器測量芯片的溫度，如果溫度補償曲線已知，則允許包含溫度補償，一般通過產(chǎn)品開發(fā)期間所控制的環(huán)境表征來實現(xiàn)。

這些誤差可以被匯總并表示為總的未調(diào)整誤差(TUE)數(shù)，通常在一些LSB中引用。TUE指最大誤差(大于或小于理想的直接傳遞函數(shù))，包括前述的DNL、INL、零標度和滿量程誤差，或者指實際傳遞函數(shù)與理想ADC之間的最大偏離。

一個ADC的有效位數(shù)(BNOB)是分辨率和精度的真實指標。這個數(shù)值表明了在一個給定系統(tǒng)中有多少位提供了準確信息，即結果中有多少部分表示噪聲，多少部分表示信號?？梢酝ㄟ^以下公式計算：

ENOB=(SINAD-1.76dB)/6.02dB

其中，信號噪聲及失真比(SINAD)是指有用信息(信號)和背景噪聲(噪聲或誤差)之間的比率。SINAD值不僅受到ADC設計和芯片集成的影響，還受到PCB的布局和設計，以及所選附加分立元器件的影響。較大的SINAD值意味著較多的信號是數(shù)據(jù)并且誤差很小，這能改進測量微伏級變化的信號時測量結果的精度。較小的SINAD值意味著信號被系統(tǒng)中的噪聲干擾，精度受到影響。

了解ADC模塊電氣規(guī)范中的數(shù)據(jù)，將有助于根據(jù)系統(tǒng)需求作出明智的決策，但是除此以外，還可以應用一些技術來改善轉換結果的分辨率和準確性。第一種技術稱為抖動。在一個ADC的輸入端添加少量的受控噪聲(0.5LSB高斯白噪聲)，可強制信號處于最接近的分辨率步長之上或之下，從而可避免必須向下舍入到該值以下。轉換的LSB狀態(tài)將在0和1之間隨機振蕩，而不是維持在一個固定值上。通過引入微小噪聲，我們擴展了ADC能夠轉換的信號的有效范圍，而不是簡單地去除了在這個低電平上的所有信號(僅被量化成一位的分辨率)。事實上，此量化誤差涵蓋了一系列的噪聲值。抖動僅增加了采樣電路的分辨率，改善了線性度，但并沒有提高精度。不過，通過在信號上增加1～2位LSB噪聲并采用過采樣的技術卻可以提高精度。

在向信號添加人工噪聲時，一定要注意噪聲的平均值必須為0。但許多系統(tǒng)具有來自其他噪聲源的白噪聲，包括熱噪聲、CPU核、開關端口和電源的變化。血壓監(jiān)測儀尤其容易受白噪聲影響，因為血液脈動會產(chǎn)生電磁干擾和振蕩等，它們將被PCB吸收，進而進入到微控制器。

過采樣是指采樣頻率遠遠高于被采樣信號的尼奎斯特(Nyquist)頻率的信號采樣過程。實際上，過采樣用于實現(xiàn)成本更低、分辨率更高的ADC轉換。例如，要實現(xiàn)16位轉換器，只需要使用12位轉換器以目標采樣率的256倍頻率運行。對每一個附加分辨率位，信號必須以4倍頻率過采樣。對一組256個連續(xù)的12位采樣數(shù)據(jù)取平均值，可使結果的分辨率增加4位，這樣就產(chǎn)生一個16位的分辨率。因為現(xiàn)實世界的ADC并不能瞬間完成轉換，所以輸入值應當在轉換器進行轉換期間保持恒定。采樣和保持電路通過用一個電容儲存輸入端的模擬電壓，并用一個電子開關將電容從輸入端斷開的方式來完成這一任務。使用設置好最適合輸入信號的采樣和保持時間的ADC，將幫助改進轉換結果的精度。

可以將以上兩種方法(噪聲注入和過采樣)結合起來，更進一步地改善精度。這一技術通常被認為是過采樣和抽取。通過增加1～2個噪聲LSB，同時進行的采樣不會產(chǎn)生相同的結果。這個方法增加了SINAD并且提高了ENOB。通過在輸入信號處增加1～2個噪聲LSB和過采樣，結果被平均后可以提供一個更精確的值。從ADC測量中獲得的平均數(shù)據(jù)還能使輸入信號中的毛刺變平，從而具有減小信號波動和噪聲的優(yōu)點。普通噪聲的平均值將一直保持為0，因此，通過平均同時進行的采樣結果，可以減弱噪聲的影響。系統(tǒng)所應用的平均數(shù)量取決于信號變化的速率和所需的采樣間隔。一些ADC模塊內(nèi)置有取平均值的能力(圖3)。

以上概念都被融入到系統(tǒng)的軟件設計之中，但是還有一些硬件改進技術也可以提高轉換精度。許多電路(特別是電池電壓和溫度檢測電路)使用高值電阻分壓器生成模擬參考。通常，電容器被放置于輸入端，這將使模擬交流電源的源阻抗降低，因此，ADC將能夠恰當?shù)孬@取到信號。PCB本身的固有電阻小于1MΩ。模擬輸入端的漏電流(IIN)通常要求不超過1μA，其典型值一般在25nA左右。這種漏電流將會產(chǎn)生誤差(EIL)：

EIL=IIN*RAS

其中，RAS是ADC電壓源的模擬源電阻。消除這種誤差的最佳方式是，在系統(tǒng)可控范圍內(nèi)減少RAS和任何形式的漏電流(如PCB漏電)。

系統(tǒng)電源也會以噪聲形式影響轉換精度。如果ADC使用噪聲較大的電源(包括ADC電壓參考)，那么將無法準確地表示傳感器正在輸出的電平。有幾種ADC設計方法可以去除一些電源噪聲，但是消除電源噪聲的最佳方式是為轉換營造一個安靜的環(huán)境。MCU提供的一些模式可以暫停CPU和各種外設。飛思卡爾Flexis模式就被稱為WAIT模式。在這種環(huán)境下，器件沒有驅動輸出，但是ADC轉換仍然會發(fā)生并中斷CPU，即快速喚醒器件，完成轉換后將恢復所有的操作和通信。

最難消除的噪聲是同步噪聲，這種噪聲的參數(shù)與轉換調(diào)度相同。這類噪聲可以偽裝成增益或偏移誤差。減少這種影響的唯一方法就是針對同步噪聲來改變轉換時間，這種做法只有在噪聲源具有較低頻率時才有效。許多隨機噪聲很難預防，如EMC事件、線路噪聲和白噪聲，因為它們具有隨機性，但是通過過采樣取平均值可以起到一定的作用。

能源計量已經(jīng)成為一種示例應用，這類應用要求準確的模擬信號轉換。另一個應用是醫(yī)療設備，在下面的例子中，家用便攜式血糖測計儀具有MMS功能。所有這些便攜式家用醫(yī)療產(chǎn)品都要求具有較長的電池壽命、快速的響應時間、強大的數(shù)據(jù)處理及有線和無線通信接口?；谖C電系統(tǒng)(MEMS)的壓力和加速度傳感器可用于采集物理參數(shù)，這些參數(shù)提供自然、連續(xù)的信號電壓或電流的精密和準確轉換，從而使MCU能夠通過ADC模塊來處理它們(圖4)。

糖尿病患者需要隨時監(jiān)控身體的血糖含量并采取相應的措施。因此，家用醫(yī)療市場開發(fā)了家用醫(yī)療產(chǎn)品，從而使患者能夠更輕松地完成上述行為。這些設備均由電池供電，帶有相對簡單的用戶界面。現(xiàn)在的儀表都帶有日期/時間時鐘和存儲器，許多儀表能夠將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中，甚至通過手機網(wǎng)絡傳送到醫(yī)生的診療室。一些血糖檢測儀具有直流馬達，可以將刺血針插入到皮膚中來收集血樣。血樣發(fā)生的化學反應將產(chǎn)生電流。電流的大小與血樣中的葡萄糖含量相對應。這些葡萄糖含量在1毫克/分升范圍內(nèi)。葡萄糖含量的讀數(shù)只需花幾秒鐘時間就達到其最大值，此時要求具有穩(wěn)定的參考電壓。家用血糖檢測儀的準確度是大家都比較關心的一個問題，因為它們必須滿足國際標準組織(ISO)15197精度標準，標準規(guī)定，對于濃度超過75mg/dl或更低濃度的絕對水平，血糖檢測儀的檢測結果在95%的情況下都必須在實驗室標準的20%以內(nèi)。影響儀表精度的因素包括儀表校準、環(huán)境溫度、血樣容量和質(zhì)量、血液中含量較高的其他物質(zhì)、血細胞比容、儀表中的污垢、濕度，以及測試條的老化。

這些要求是針對整個系統(tǒng)而言。如果所有有源電子系統(tǒng)元件都有精度要求，則ADC所需規(guī)格通常為16位分辨率，ENOB>13.5位，最少4個差分成對輸入(兩個差分對)，速率大于100kHz。每個血糖儀廠家都會根據(jù)使用的組件和特殊算法以自己的方式來劃分精度，但是以上參數(shù)統(tǒng)一被市場所用。

本文小結

對于任何的醫(yī)療測量或計量系統(tǒng)來說，最大的挑戰(zhàn)就是將真實世界的模擬信號精確地轉換到嵌入式控制器的數(shù)字域。高分辨率的ADC提供了高粒度的結果(LSB表示nV的變化)，但是不一定能提供應用所需的精度。許多引起誤差的因素不可避免，因為無法實現(xiàn)完美的模數(shù)轉換。不過，不同的ADC技術，例如取平均值、過采樣和抽取、校準、泄漏控制、噪聲降低和溫度補償，可以被用來提高轉換精度(TUE)和ADC ENOB。

飛思卡爾公司的Flexis微控制器MM256/128和JE256/128器件在一個可互換的8位或32位微控制器上實現(xiàn)了超低功率操作、USB連接、圖形顯示支持和出色的測量精度，允許器件設計人員以較低的成本設計出功能豐富的產(chǎn)品。此類器件適用于工業(yè)控制、儀表和醫(yī)療應用，或其他任何需要大量高精度模擬的應用。器件為設計者提供了高分辨率ADC和DAC模塊兩種選擇，并且JE256/128器件還將通用的運算放大器和跨阻放大器集成到了微控制器中。這些高度集成的微控制器具有豐富的外設集合，包括一個USB 2.0控制器、多個串行接口和一個外部總線接口。與飛思卡爾控制器系列中的其他USB微控制器一樣，MM256/128器件也得到醫(yī)療應用USB棧支持。這種免費贈送的USB棧目前支持MSD、HID、CDC和個人醫(yī)療器件類應用(PHDC)，而醫(yī)療設備連接庫支持設備間的通信(符合IEEE11073)。此外，飛思卡爾的MQX軟件能夠支持實時的操作系統(tǒng)(RTOS)功能和USB棧。