RX23E-A MCU是32位RX MCU，具有內(nèi)置FPU和高達(dá)256KB閃存，配有模擬前端（AFE），有助于測(cè)量壓力、流量、溫度和重量，精度小于0.1%。該MCU還具有兩個(gè)低噪聲和低漂移24位Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器、軌到軌可編程增益儀表放大器、低漂移電壓基準(zhǔn)和片上激勵(lì)電流源。RX23E-A MCU能夠使用低噪聲和低漂移24位Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器同時(shí)測(cè)量，具有極穩(wěn)定的片上電壓基準(zhǔn)。

RX23E-A MCU非常適合用于樓宇自動(dòng)化、基礎(chǔ)廣泛的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、IA傳感應(yīng)用（例如溫度控制器、壓力傳感器、數(shù)據(jù)記錄器、電子秤和力傳感器）。

本系列文章首先介紹一些基本概念和原理，包括ΔΣADC、用于傳感器測(cè)量Δ∑ADC的特性、應(yīng)用實(shí)例及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，這些內(nèi)容適用于任何一個(gè)MCU的ΔΣADC。接下來(lái)主要介紹RX23E-A中的24位ΔΣADC轉(zhuǎn)換器（DSAD0和DSAD1）和模擬前端（AFE）。

一

ΔΣADC介紹

A/D轉(zhuǎn)換是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的組件是AD轉(zhuǎn)換器，即所謂的ADC。將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)可以進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，例如數(shù)字濾波、FFT和各種校正。數(shù)字化的優(yōu)點(diǎn)是，數(shù)字化可以更容易地處理用模擬信號(hào)無(wú)法處理或很難處理的信號(hào)。

AD轉(zhuǎn)換方式可以大概分為以下幾種：

本篇文章主要介紹ΔΣADC，擅長(zhǎng)以高分辨率測(cè)量低頻信號(hào)。首先介紹ΔΣADC的配置。ΔΣADC由ΔΣ調(diào)制器和數(shù)字濾波器組合而成，具有基于兩個(gè)時(shí)鐘頻率工作的特點(diǎn)。

ΔΣ調(diào)制器由積分器和1bitADC、D-FF和1bitDAC組成。該ΔΣ調(diào)制器在調(diào)制時(shí)鐘周期將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為1位脈沖密度。數(shù)字濾波器對(duì)采樣時(shí)鐘周期的脈沖密度進(jìn)行平均，以提高分辨率。例如，將分辨率提高到24位。換句話說(shuō)，ΔΣADC對(duì)大量1位數(shù)據(jù)進(jìn)行平均以提高分辨率。

接下來(lái)，想解釋一下ΔΣADC的特點(diǎn)。第一個(gè)特點(diǎn)是ΔΣADC采用了過(guò)采樣技術(shù)。“過(guò)采樣”是指以比正常采樣頻率fs [Hz]高得多的頻率fos [Hz]進(jìn)行采樣。ΔΣADC在兩個(gè)參考時(shí)鐘上運(yùn)行：調(diào)制時(shí)鐘頻率和采樣時(shí)鐘頻率。因此，對(duì)于ΔΣADC，過(guò)采樣頻率fos確實(shí)等于調(diào)制時(shí)鐘頻率fmod。在閱讀ΔΣADC數(shù)據(jù)表時(shí)，您會(huì)發(fā)現(xiàn)術(shù)語(yǔ)“過(guò)采樣率OSR”。OSR是過(guò)采樣頻率除以采樣頻率。增加OSR相當(dāng)于在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行平均以降低噪聲。因此，如果要準(zhǔn)確測(cè)量幅度，請(qǐng)?jiān)龃驩SR。如果要測(cè)量高頻信號(hào)，請(qǐng)降低OSR。這是如何使用它。

增加OSR等于長(zhǎng)周期平均。當(dāng)測(cè)量精度變得更好時(shí)，采樣頻率fs變得更低。

期望精確測(cè)量振幅→增加OSR

期望測(cè)量高頻信號(hào)→降低OSR

ΔΣADC的第二個(gè)特性是噪聲整形。噪聲整形是指方便地對(duì)均勻分布的量化噪聲進(jìn)行整形。噪聲整形將量化噪聲轉(zhuǎn)移到更高的頻率并降低頻帶中的噪聲。將量化噪聲乘以噪聲傳遞函數(shù)并限制頻帶，可以顯著降低輸出噪聲。量化噪聲是模擬值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值時(shí)四舍五入或截?cái)嗟闹怠Ｖ灰褂肁DC，這種量化噪聲就總會(huì)出現(xiàn)。

下方三張圖比較了ADC的奈奎斯特操作、過(guò)采樣方案和ΔΣ調(diào)制（也是過(guò)采樣）方案。

第一張圖顯示了ADC以標(biāo)準(zhǔn)奈奎斯特方式運(yùn)行時(shí)的量化噪聲。這種情況下，量化噪聲由ADC的LSB大小決定。FS為ADC的采樣速率，F(xiàn)S/2為奈奎斯特頻率。

奈奎斯特方案

采樣速率為fs

奈奎斯特帶寬為fs/2

第二張圖顯示的是同一轉(zhuǎn)換器，不過(guò)現(xiàn)在它以過(guò)采樣方式運(yùn)行，采樣速率更快。采樣速率提高K倍，量化噪聲擴(kuò)展到K × Fs/2的帶寬上。低通數(shù)字濾波器可消除藍(lán)色區(qū)域之外的量化噪聲。

過(guò)采樣方案

采樣速率為K×fs

ΔΣ調(diào)制器多了一個(gè)特性，那就是噪聲整形，如第三張圖所示。模數(shù)轉(zhuǎn)換的量化噪聲被調(diào)制整形，從低頻移動(dòng)到較高頻率，低通數(shù)字濾波器可將其從轉(zhuǎn)換結(jié)果中消除，從而提高帶寬內(nèi)的信噪比。

ΔΣ型ADC方案

過(guò)采樣和噪聲整形

采樣速率為fMOD=K×fODR

審核編輯：劉清