RX23E-A中的24位ΔΣADC轉換器和模擬前端介紹

RX23E-A MCU是32位RX MCU，具有內置FPU和高達256KB閃存，配有模擬前端（AFE），有助于測量壓力、流量、溫度和重量，精度小于0.1%。該MCU還具有兩個低噪聲和低漂移24位Δ-Σ模數轉換器、軌到軌可編程增益儀表放大器、低漂移電壓基準和片上激勵電流源。RX23E-A MCU能夠使用低噪聲和低漂移24位Δ-Σ模數轉換器同時測量，具有極穩定的片上電壓基準。

RX23E-A MCU非常適合用于樓宇自動化、基礎廣泛的物聯網應用、IA傳感應用（例如溫度控制器、壓力傳感器、數據記錄器、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、用于傳感器測量Δ∑ADC的特性、應用實例及設計要點，這些內容適用于任何一個MCU的ΔΣADC。接下來主要介紹RX23E-A中的24位ΔΣADC轉換器（DSAD0和DSAD1）和模擬前端（AFE）。

一

ΔΣADC介紹

A/D轉換是將模擬信號轉換為數字信號。進行A/D轉換的組件是AD轉換器，即所謂的ADC。將模擬信號轉換為數字信號可以進行數字信號處理，例如數字濾波、FFT和各種校正。數字化的優點是，數字化可以更容易地處理用模擬信號無法處理或很難處理的信號。

AD轉換方式可以大概分為以下幾種：

本篇文章主要介紹ΔΣADC，擅長以高分辨率測量低頻信號。首先介紹ΔΣADC的配置。ΔΣADC由ΔΣ調制器和數字濾波器組合而成，具有基于兩個時鐘頻率工作的特點。

ΔΣ調制器由積分器和1bitADC、D-FF和1bitDAC組成。該ΔΣ調制器在調制時鐘周期將模擬輸入信號轉換為1位脈沖密度。數字濾波器對采樣時鐘周期的脈沖密度進行平均，以提高分辨率。例如，將分辨率提高到24位。換句話說，ΔΣADC對大量1位數據進行平均以提高分辨率。

接下來，想解釋一下ΔΣADC的特點。第一個特點是ΔΣADC采用了過采樣技術?！斑^采樣”是指以比正常采樣頻率fs [Hz]高得多的頻率fos [Hz]進行采樣。ΔΣADC在兩個參考時鐘上運行：調制時鐘頻率和采樣時鐘頻率。因此，對于ΔΣADC，過采樣頻率fos確實等于調制時鐘頻率fmod。在閱讀ΔΣADC數據表時，您會發現術語“過采樣率OSR”。OSR是過采樣頻率除以采樣頻率。增加OSR相當于在很長一段時間內進行平均以降低噪聲。因此，如果要準確測量幅度，請增大OSR。如果要測量高頻信號，請降低OSR。這是如何使用它。

增加OSR等于長周期平均。當測量精度變得更好時，采樣頻率fs變得更低。

期望精確測量振幅→增加OSR

期望測量高頻信號→降低OSR

ΔΣADC的第二個特性是噪聲整形。噪聲整形是指方便地對均勻分布的量化噪聲進行整形。噪聲整形將量化噪聲轉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并限制頻帶，可以顯著降低輸出噪聲。量化噪聲是模擬值轉換為數字值時四舍五入或截斷的值。只要使用ADC，這種量化噪聲就總會出現。

下方三張圖比較了ADC的奈奎斯特操作、過采樣方案和ΔΣ調制（也是過采樣）方案。

第一張圖顯示了ADC以標準奈奎斯特方式運行時的量化噪聲。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，FS/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換器，不過現在它以過采樣方式運行，采樣速率更快。采樣速率提高K倍，量化噪聲擴展到K × Fs/2的帶寬上。低通數字濾波器可消除藍色區域之外的量化噪聲。

過采樣方案

采樣速率為K×fs

ΔΣ調制器多了一個特性，那就是噪聲整形，如第三張圖所示。模數轉換的量化噪聲被調制整形，從低頻移動到較高頻率，低通數字濾波器可將其從轉換結果中消除，從而提高帶寬內的信噪比。

ΔΣ型ADC方案

過采樣和噪聲整形

采樣速率為fMOD=K×fODR

審核編輯：劉清