使用MCU的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員受益于摩爾定律，即通過更小封裝、更低成本獲得更多的豐富特性功能。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和MCU廠商關(guān)心數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的三個(gè)基本功能：捕獲、計(jì)算和通信。理解全部功能對設(shè)計(jì)大有幫助，本文將主要關(guān)注數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的捕獲階段。
捕獲
復(fù)雜的混合信號MCU必須能夠從模擬世界中捕獲某些有用信息，并且能夠把連續(xù)時(shí)間信號轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字形式。模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是完成這項(xiàng)任務(wù)最重要的MCU外設(shè)，因此ADC的性能往往決定何種MCU適用于何種應(yīng)用。MCU也能夠通過各種串行或并行數(shù)字I/O接口捕獲來自外部信號源的數(shù)字形式的系統(tǒng)信息。
計(jì)算
信號捕獲后，需要對捕獲數(shù)據(jù)進(jìn)行某些處理；有時(shí)僅僅需要模數(shù)轉(zhuǎn)換，但是更多情況下必須要對捕獲的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行計(jì)算。MCU行業(yè)中持續(xù)進(jìn)行的數(shù)字化演變，帶給系統(tǒng)開發(fā)人員更先進(jìn)的信號處理水平和更高的處理器速度。因此，嵌入式開發(fā)人員現(xiàn)在對8位、16位和32位混合信號MCU有更多的選擇余地，以便適應(yīng)各種成本/性能目標(biāo)。開發(fā)人員也有更多片上選擇（on-chip options）可用于完成系統(tǒng)任務(wù)。此外，MCU的硬宏（hard-macro）能自動處理，在外設(shè)中集成的功能狀態(tài)機(jī)可完成常見的處理器任務(wù)。
通信
最后，為了控制過程中的信息交換，某種形式的通信是必要的。此功能可以相當(dāng)簡單，也可以相當(dāng)復(fù)雜。通信甚至可以是模擬輸出的電壓或電流，通常使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）把捕獲和處理的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到模擬形式來實(shí)現(xiàn)。
基于多功能MCU的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
MCU數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵是ADC.在電子行業(yè)中最常見的ADC類型一般是逐次逼近型ADC（SAR ADC）。許多MCU使用SAR ADC是因?yàn)樗谒俣群托阅芙M合上的靈活性。在MCU中，SAR ADC的精確度可以從8位到16位，吞吐速率范圍可以從極慢的按需轉(zhuǎn)換請求到每秒超過100萬次轉(zhuǎn)換。但是ADC僅僅是完整數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的一部分。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的其他部分也可增加其靈活性，包括信號輸入接口、參考電壓接口、用于ADC的時(shí)鐘和采樣系統(tǒng)以及用于轉(zhuǎn)換后ADC輸出數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)管理。
通常情況下，模擬信號輸入接口共享一個(gè)通用輸入輸出（I/O）緩沖器結(jié)構(gòu)體，此結(jié)構(gòu)體可配置為數(shù)字域或模擬域，或者也可以由兩個(gè)域共用。多配置性實(shí)現(xiàn)方法允許設(shè)計(jì)人員根據(jù)其系統(tǒng)需求在多個(gè)芯片引腳上劃分模擬和數(shù)字功能。作為輸入多路復(fù)用器的一部分，最常見的輔助輸入之一是片上的溫度傳感器；其他的重要輸入包括內(nèi)部電壓。
一旦系統(tǒng)的輸入通道配置完成，嵌入式設(shè)計(jì)人員就可以利用程序代碼選擇任意通道，并請求ADC轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)人員也可以選擇免除程序代碼，而允許ADC通道定序器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的通道輸入進(jìn)行循環(huán)，直到檢測出重要事件。
數(shù)據(jù)采集
系統(tǒng)的另一個(gè)重要方面是ADC參考電壓（VREF）。參考電壓用來設(shè)置系統(tǒng)的輸入動態(tài)范圍或量程，并能顯著影響整體噪聲性能。多路轉(zhuǎn)換器通常用于從多種板上和外部參考電壓輸入中選擇VREF.常用的參考電壓包括MCU內(nèi)部生成的緩沖帶隙電壓的倍頻電壓、片外生成的精確參考電壓以及多種外部電源電壓，以上可選參考電壓都兼容I/O緩沖器結(jié)構(gòu)體和ADC限制。
如此多的輸入通道，使人們很容易想象到，在某些系統(tǒng)中一個(gè)或多個(gè)引腳的輸入動態(tài)范圍可能不兼容單一VREF電壓。為了解決這個(gè)問題，Silicon Labs Precision32 MCU集成輸入級聯(lián)增益，根據(jù)ADC型號不同可能有0.5或1倍的增益，這樣通過調(diào)整輸入信號可更好的兼容選擇VREF.
ADC轉(zhuǎn)換循環(huán)
ADC的時(shí)鐘系統(tǒng)要易于配置，以便支持MCU應(yīng)用的多種用途。SAR ADC屬于奈奎斯特率轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員要仔細(xì)選擇以滿足采樣率至少兩倍于輸入信號帶寬的奈奎斯特準(zhǔn)則。當(dāng)配置ADC時(shí)，開發(fā)人員還必須考慮兩個(gè)計(jì)時(shí)任務(wù)。這兩個(gè)任務(wù)涉及ADC轉(zhuǎn)換循環(huán)和MCU系統(tǒng)內(nèi)的可用時(shí)鐘源。轉(zhuǎn)換循環(huán)有兩部分組成：一個(gè)是跟蹤周期，一個(gè)是轉(zhuǎn)換周期，如圖1所示。
孔徑抖動和延遲
轉(zhuǎn)換啟動請求信號可以看作是采樣時(shí)鐘，因此它決定ADC采樣和保持電路實(shí)際捕獲輸入信號的時(shí)間點(diǎn)。當(dāng)配置ADC轉(zhuǎn)換請求時(shí)基時(shí)，需要考慮與采樣和保持電路相關(guān)的規(guī)格，即孔徑抖動和孔徑延遲。這兩個(gè)規(guī)格影響輸入信號采樣的精確度，因?yàn)檩斎胄盘栂鄬τ诳讖綍r(shí)間延遲在不斷快速變化，如圖2所示。
圖2：孔徑抖動和延遲。
孔徑抖動在生成轉(zhuǎn)換啟動信號的時(shí)鐘系統(tǒng)和其他電路中將導(dǎo)致誤差（即時(shí)鐘抖動），同時(shí)孔徑延遲導(dǎo)致轉(zhuǎn)換啟動信號和采樣開關(guān)之間電路延遲?？讖蕉秳釉跀?shù)據(jù)采集系統(tǒng)中會引入噪聲和失真?？讖窖舆t可以由MCU設(shè)計(jì)人員內(nèi)部管理，使其最小化，以避免由于長延遲而增加更多抖動的風(fēng)險(xiǎn)?？讖窖舆t在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中引起延遲誤差。太長的孔徑延遲類似于水池在“水池滿”信號發(fā)出之前就開始溢出。
由于上述原因，需要精確的時(shí)基用于產(chǎn)生穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換啟動請求時(shí)序。MCU提供一系列板上時(shí)鐘或外部時(shí)鐘源作為系統(tǒng)時(shí)鐘選擇。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)選擇具有足夠精度的時(shí)鐘源，以滿足其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需求。對于高速輸入源，需要非常精確的晶體振蕩器。另一方面，直流（DC）或慢速輸入可以更好地容忍時(shí)鐘系統(tǒng)錯(cuò)誤，但仍然需要在轉(zhuǎn)換之間保留足夠的穩(wěn)定時(shí)間。
突發(fā)模式特性
Silicon Labs MCU系列產(chǎn)品中兩個(gè)特別有用的特性是突發(fā)模式和標(biāo)記跟蹤模式。突發(fā)模式根據(jù)可編程的連續(xù)ADC轉(zhuǎn)換數(shù)量生成累積的或平均結(jié)果，所有觸發(fā)來自一個(gè)轉(zhuǎn)換請求。標(biāo)記跟蹤模式通過改變轉(zhuǎn)換啟動請求操作來分擔(dān)MCU系統(tǒng)所需的跟蹤時(shí)間管理。通常，轉(zhuǎn)換啟動標(biāo)記在跟蹤周期終點(diǎn)和轉(zhuǎn)換周期起點(diǎn)。但在標(biāo)記跟蹤模式中，轉(zhuǎn)換啟動請求卻在跟蹤周期起點(diǎn)觸發(fā)，然后持續(xù)一段時(shí)間，此時(shí)長為基于預(yù)配置的SARADC時(shí)鐘周期的可編程時(shí)長，最后才開始轉(zhuǎn)換。帶有標(biāo)記跟蹤的觸發(fā)模式可為低頻運(yùn)行的MCU在單MCU時(shí)鐘循環(huán)中獲得累積的ADC結(jié)果，因此減少系統(tǒng)循環(huán)數(shù)和降低功耗，如圖3所示。
圖3：ADC突
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