RX23E-A中的24位ΔΣADC转换器和模拟前端介绍

RX23E-A MCU是32位RX MCU，具有内置FPU和高达256KB闪存，配有模拟前端（AFE），有助于测量压力、流量、温度和重量，精度小于0.1%。该MCU还具有两个低噪声和低漂移24位Δ-Σ模数转换器、轨到轨可编程增益仪表放大器、低漂移电压基准和片上激励电流源。RX23E-A MCU能够使用低噪声和低漂移24位Δ-Σ模数转换器同时测量，具有极稳定的片上电压基准。

RX23E-A MCU非常适合用于楼宇自动化、基础广泛的物联网应用、IA传感应用（例如温度控制器、压力传感器、数据记录器、电子秤和力传感器）。

本系列文章首先介绍一些基本概念和原理，包括ΔΣADC、用于传感器测量Δ∑ADC的特性、应用实例及设计要点，这些内容适用于任何一个MCU的ΔΣADC。接下来主要介绍RX23E-A中的24位ΔΣADC转换器（DSAD0和DSAD1）和模拟前端（AFE）。

一

ΔΣADC介绍

A/D转换是将模拟信号转换为数字信号。进行A/D转换的组件是AD转换器，即所谓的ADC。将模拟信号转换为数字信号可以进行数字信号处理，例如数字滤波、FFT和各种校正。数字化的优点是，数字化可以更容易地处理用模拟信号无法处理或很难处理的信号。

AD转换方式可以大概分为以下几种：

本篇文章主要介绍ΔΣADC，擅长以高分辨率测量低频信号。首先介绍ΔΣADC的配置。ΔΣADC由ΔΣ调制器和数字滤波器组合而成，具有基于两个时钟频率工作的特点。

ΔΣ调制器由积分器和1bitADC、D-FF和1bitDAC组成。该ΔΣ调制器在调制时钟周期将模拟输入信号转换为1位脉冲密度。数字滤波器对采样时钟周期的脉冲密度进行平均，以提高分辨率。例如，将分辨率提高到24位。换句话说，ΔΣADC对大量1位数据进行平均以提高分辨率。

接下来，想解释一下ΔΣADC的特点。第一个特点是ΔΣADC采用了过采样技术。“过采样”是指以比正常采样频率fs [Hz]高得多的频率fos [Hz]进行采样。ΔΣADC在两个参考时钟上运行：调制时钟频率和采样时钟频率。因此，对于ΔΣADC，过采样频率fos确实等于调制时钟频率fmod。在阅读ΔΣADC数据表时，您会发现术语“过采样率OSR”。OSR是过采样频率除以采样频率。增加OSR相当于在很长一段时间内进行平均以降低噪声。因此，如果要准确测量幅度，请增大OSR。如果要测量高频信号，请降低OSR。这是如何使用它。

增加OSR等于长周期平均。当测量精度变得更好时，采样频率fs变得更低。

期望精确测量振幅→增加OSR

期望测量高频信号→降低OSR

ΔΣADC的第二个特性是噪声整形。噪声整形是指方便地对均匀分布的量化噪声进行整形。噪声整形将量化噪声转移到更高的频率并降低频带中的噪声。将量化噪声乘以噪声传递函数并限制频带，可以显着降低输出噪声。量化噪声是模拟值转换为数字值时四舍五入或截断的值。只要使用ADC，这种量化噪声就总会出现。

下方三张图比较了ADC的奈奎斯特操作、过采样方案和ΔΣ调制（也是过采样）方案。

第一张图显示了ADC以标准奈奎斯特方式运行时的量化噪声。这种情况下，量化噪声由ADC的LSB大小决定。FS为ADC的采样速率，FS/2为奈奎斯特频率。

奈奎斯特方案

采样速率为fs

奈奎斯特带宽为fs/2

第二张图显示的是同一转换器，不过现在它以过采样方式运行，采样速率更快。采样速率提高K倍，量化噪声扩展到K × Fs/2的带宽上。低通数字滤波器可消除蓝色区域之外的量化噪声。

过采样方案

采样速率为K×fs

ΔΣ调制器多了一个特性，那就是噪声整形，如第三张图所示。模数转换的量化噪声被调制整形，从低频移动到较高频率，低通数字滤波器可将其从转换结果中消除，从而提高带宽内的信噪比。

ΔΣ型ADC方案

过采样和噪声整形

采样速率为fMOD=K×fODR

 

审核编辑：刘清