使用纮康HY11P系列单芯片实现电压与温度量测应用

• 　　1 简介

　　对于很多任务业、声音或消费性领域应用方面的系统而言，模拟数字转换器(A/D)通常都是扮演很重要的关键脚色。为了可以满足许多应用需求，市面上因而衍伸出多种不同A/D架构的产品别。从逐次逼近型ADC (successive-approximation (SAR))、积分型ADC(Dual slope)，到近年来新发展起来的Σ-Δ型ADC(sigma-delta)，它们各有其优缺点，能满足不同的应用场合的使用。SAR、Dual Slope ADC等，主要应用于中速或较低速、中等精度的数据收集和智能仪器中。Σ-Δ型ADC主应用于高精度数据收集特别是数字音响系统、多媒体、精密测量等电子测量领域。表1-1约略说明了不同A/D架构产品分辨率及应用领域，图1-2 为2005年的A/D架构分析资料，可以说明不同产品类别的A/D应用领域。

　　表 1‑1 不同A/D架构与分辨率和转换速率关系表

　　图 1‑2 不同A/D架构与分辨率和取样率关系图 [1]

　　下面则针对SAR、Dual slope、Σ-Δ ADC做简要介绍：

　　SAR ADC：

　　此为应用较广泛的转换方法之一，主要由比较器、逐次逼近缓存器(SAR)和逻辑控制单元组成。为将输入信号与已知电压进行比较并进行转换，转换完成后为二进制输出。其Input RMS noise通常约在1mV左右，一般分辨率约在12位上下。

　　其优势在于分辨率低于12位时价格较低，取样率可达1MSPS(million samples per second)，功耗较低，且尺寸小。但其缺点就是当高于14位分辨率以上通常价格较高，且若使用在传感器上则须先进行前置信号增益放大和滤波，明显成本会增加许多。

　　Dual Slope ADC：

　　亦称为积分型ADC。主要由输入切换开关的积分器、比较器、计数器构成，透过两次积分将输入的电压转换成和平均值成正比的时间间隔，并利用计数器进行计数来完成转换。其Input RMS noise通常约在10uV左右，一般分辨率约在16位上下。

　　其优势在于输入端采用了积分器，对交流噪声的干扰有很强的抑制能力，可以抑制高频噪声和固定的低频干扰(如50Hz或60Hz)，适合在嘈杂的工业环境中使用。但其缺点就是转换速率低，转换速率在12位时通常只有约100～300SPS。

　　Σ-Δ型ADC：

　　亦称为过取样转换器，主要根据前后量值的差值大小来进行量化编码。其由模拟Σ-Δ调制器和数字取样滤波器所组成。先由Σ-Δ调制器完成信号取样及增量编码，再由数字取样滤波器转换成高分辨率的数字信号。其Input RMS noise通常约在1uV左右，一般分辨率约在16位~20位上下。

　　其优势在于分辨率较高，可高达24位。转换速率相对于积分型ADC来的高;内部过取样转换器直接实现了数字滤波功能，间接降低了对传感器信号滤波的要求。但其缺点在于较高速Σ-△型ADC的价格通常高出许多。一般在相同转换速率下，较SAR ADC、Dual slope ADC的功耗高。

　　而纮康科技[2]目前所推出内建SPI串行界面的OP + A/D微控制器HY11P13，即为具有18位Σ-△型A/D解析能力的单芯片。该芯片ROM size 4K x 16、Ram size 256byte，提供4x20 LCD点数显示， I/O最多可支持到14埠。其18位高A/D分辨率包含8组网络输入选择，可应用于大部分Sensor的侦测及网络切换。内部所提供的PWM输出可高达10位的分辨信号可控制驱动器使用，搭配于PFD也可使用于发声组件上产生美妙音乐。

　　该款HY11P13微控制器不仅待机电流低于3μA，睡眠电流更是低于1μA，在使用内建震荡器于启动A/D应用时整个芯片消耗电流仅750μA，大大延长电池寿命，内建多组的电压侦测点，更可适时监控电池电压的消耗。

　　本文则针对纮康科技HY11P13 八位MCU，在仅使用少数被动组件下，做出最简单的A/D应用，而其高性能的A/D更可应用在许多温度、压力、气体传感器或体重(脂)秤上，只需简单应用电路，即可达到应用需求，大大减少一般要增加OPA线路或是滤波线路来达到信号放大或稳定需求。下列则使用内建18bit Σ-△ A/D进行大讯号40000 counts电压测量、小讯号10000 counts电压测量、及内建温度Sensor的温度测量，在单点温度校正下可实现-40℃~85℃范围内仅±3℃的最大温度误差。