A/D轉換器和微控制器——走向集成

許多微控制器廠商正在把模擬電路移入微控制器中，因為他們確信模擬單元在重要的方面能與邏輯門相抗衡：它們具有通用的功能，有廣泛的用途。在被考慮移入微控制器的模擬電路中就有A/D轉換器，當然不是所有的模擬或混合信號模塊都適合與微控制器同處一塊芯片上。

當混合信號器件作為控制器的一部分時，如逐次近似寄存器（SAR）轉換器，不同的應用情形下計算要求似乎差別很大。當控制器作為混合信號器件的一部分時，如Δ-Σ型轉換器，計算要求是特定的，且針對性地強化了A/D轉換器的性能，并使其效率得以提高。

SAR轉換器

SAR轉換器很適合與微控制器集成。SAR能夠對輸入信號進行快速取樣（通常在幾個時鐘周期內完成），從而減少了取樣信號被外來噪聲干擾的機會。取樣之后，SAR轉換器所做的每個位判定動作與系統時鐘同步，這樣就降低了在做出位判定時控制器對轉換器產生數字串擾的可能性。

SAR轉換器的內部電路相對硅片面積而言是很小的，但它基本上也是模擬的。加到基本SAR轉換器（見圖1）上的常用功能是電壓基準和/或輸入復用器。一些轉換器實際上是自校準型的。

SAR的轉換過程比Δ-Σ型轉換

如果將SAR轉換器與微控制器集成，這種方便的轉換方法就能夠顯示出極大的優越性。其中包括：

1． 速度。 SAR轉換器完成任務的速度極快，因此微控制器能夠執行應用中的其他任務。

2． 噪聲抑制。 快速的轉換時間減少了噪聲進入轉換系統的機會。

3． 芯片數量減少。 這兩項功能的集成減少了電路板上的芯片數量。

由于SAR轉換器多半是模擬的，因此將其集成進微控制器中并不理想。但是，它所具有的較小的占用面積、通用性以及較快的轉換時間使其成為一種更具吸引力的“伙伴型”器件。

一般地，在轉換期間，微控制器的動作可以終止。在PIC微控制器中，只需采用睡眠方式就可執行這一功能。

談到計算要求，獨立型SAR幾乎不需要額外的器件。在SAR轉換之后，如果需要的話，微控制器通常針對每一種應用要求執行進一步的計算或校準。

圖1

Δ-Σ型 A/D轉換器

與SAR轉換器相反，Δ-Σ型轉換器需要數百個時鐘脈沖來輸出足夠的1位代碼以實現一個有效的數字濾波器，并由此獲得16位以上的精度。一旦全部的1位代碼累積起來，轉換器就把數據轉變成為一個多位結果。

Δ-Σ型轉換過程的核心是一個多指令調制器和一個數字/抽取濾波器。Δ-Σ型轉換器采用過取樣和數字濾波以獲得毫微伏的最低有效位（LSB）范圍的高精度。

如此小的LSB是無法采用SAR轉換器獲得的。這種精度是以犧牲速度、測試時間和硅片尺寸為代價的。但是，折衷的結果是模擬輸入級能基本上變為一個單極R/C濾波器，而且器件也更適用于數字工具。

在Δ-Σ型轉換過程中，由于噪聲必須保持在最低水平上，所以，如果把Δ-Σ型轉換器與微控制器集成，則在微控制器中不能執行其他的處理任務。另一方面，Δ-Σ型轉換器需要校準——這是獨立型轉換器中始終具備的能力。此外，這種架構便于加入一個可編程增益放大器，這會帶來很大的好處。

除非1位分辨率已經足夠，否則還需要采用一個數字濾波器。由于濾波需要時間，所以轉換需要耗費更長的時間才能完成。由于轉換器本質上是一個過取樣器件，因此，在轉換期間，應最大限度地減少微控制器的動作，以獲得可能的最佳精度。

Δ-Σ型A/D轉換器的其他典型特征有：轉換同步能力、空閑音調檢測、過流指示器、內部振蕩器以及一個電壓基準。在SAR轉換器中，這些功能的專用性要比附加功能高得多。