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  • 热度 3
    2020-7-16 14:26
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    不同类型的医疗产品,血氧仪、血压计、红外体温计、呼吸机、核磁共振仪、超声仪、CT扫描仪等,每个产品内都有ADC芯片。ADC芯片好比人脑,能将各类传感器(好比手眼口鼻)感知和采集的电气信号转化成数字信号。例如TI官网展示的CPAP呼吸机参考方案推荐使用其精密ADC芯片ADS1113。 图1 CPAP 呼吸机之TI ADC(PN:ADS1113) ADC何许芯也? ADC 全称是Analog-to-Digital Converter,指模数转换器或者模拟数字转换器,主要功能是把 连续变量的模拟信号转换为离散的数字信号。不同的技术原理对应有不同类型, 例如SAR( Successive approximation register )逐次逼近型ADC、Σ-Δ Sigma-Delta ADC(Δ-Σ Delta–Sigma ADC)、Pipeline流水线ADC以及混合架构ADC等类型。采样速率越高产品越高端。 图2ADC芯片常见分类 ADC除了有应用于 CPAP呼吸机 ; AMS的AS5900 也是一款ADC,应用于CT扫描仪,其 低噪声,26位高分辨率、128通道的特性,使产品具有更优质、更清晰的医疗成像。而 ADI的18位PulSAR ADC AD7960、16位双通道AD9269和14位16通道AD9249流水线ADC可 应用于数字射线照相 (DR)设备,使设备 SNR水平达到70 d B至100 dB ,具有更高的动态范围、更精细的分辨率、更高的检测效率和更低的噪声,得到更好的 解剖学特征 人体 成像 。 图3 ADI AD9269功能框图 额温枪供不应求时,电子圈内曾有过12位ADC芯片能否适用额温枪的探讨。经资深电子工程师验证,12位SAR ADC + 高精度漂移运放和16/24位Sigma-delta ADC + PGA增益两种设计方案均可符合产品要求。 1,额温枪温度测量精度要求 综合分析过10种常见的红外热电堆传感器: 温度每 1℃ 的变化传感器电压信号变化约为70~140μV,若采用常用的220倍高精度漂移运放则每1℃采样源数据为15.4 ~ 30.8mV。 12位ADC的有效位可达到10.5 位,当参考电压为2.048V时,其分辨率为0.5mV,有效分辨率约为1.41 mV,换算为有效分辨的温度为0.046 ~ 0.092℃(据“有效分辨电压计算公式”得出)。满足国家标准《GB-T 21417.1-2008 医用红外体温计》中规定的±0.3℃测量精度的要求。 图4 有效分辨电压计算公式 2、额温枪温度测量范围要求 通过上述数据进一步计算,当参考电压是2.048V时,可转换电压范围是0~2.048V,对应热电堆输出信号范围0~9.31mV。经折算可测量温度最小量程66℃,最大量程132℃。若设置37℃为量程中点,则可测温度范围最小为3~70℃,最大为-30~103℃。满足国家标准《GB-T 21417.1-2008 医用红外体温计》中规定的35℃~42℃测量范围的要求。 ADC分属模拟芯片,技术难度比数字芯片高。中高端模拟芯片,利润率甚至能超过70%,但受制于工艺水平和先进技术的积累,国内原厂与国际品牌相差甚远。以下IC Insights的数据表明,全球前十模拟IC品牌占据了58%的市场,尚未有中国品牌挤进排名。而且在军工、航空航天、通信、工业和医疗等对工艺、性能、可靠性要求高的领域,所需的高端ADC,美国就执行严格的出口管控措施,甚至完全对中国禁运。 图5模拟芯片品牌Top10 ADC领域,有以下常见国产品牌: 1、上海贝岭股份有限公司 贝岭(BELLING)已推出的 高速模数转换器(高速ADC) ,该系列产品包括双通道高中频ADC (80MSPS -125MSPS)、四通道高频ADC(125MSPS)。 2、芯海科技(深圳)股份有限公司 芯海(CHIPSEA)专注于信号链芯片设计,推出的 高精度ADC 和高性能模拟前端AFE芯片已广泛应用于智慧健康、智慧家居感知、工业测量等领域。 3、思瑞浦微电子科技(苏州)股份有限公司 思瑞浦(3PEAK)聚焦 高性能模拟芯片 设计,信号链模拟芯片和电源管理模拟芯片领域产品被广泛应用于信息通讯、工业控制、监控安全、医疗健康、仪器仪表和家用电器等多种领域。 4、 杭州瑞盟科技有限公司 瑞盟(RM)专注于高性能模拟集成电路和数模混合集成电路设计,已形成高性能运算放大器、 ADC 、DAC、接口、马达驱动、HALL传感器等系列产品,广泛应用于安防、工业控制、三表(热表、电表、水表、气表)、车载信息娱乐系统、医疗以及消费电子。 5、深圳芯易德科技有限公司 芯易德(XINYIDE)自主研发的高分辨率低电压 ADC 和 集成ADC的单片机 能广泛应用到各类微弱信号测量产品中,如:电子秤、数字压力传感器、血压计等。 6、杭州晶华微电子有限公司 晶华(SDIC)的通用 模拟集成电路 及系列专用SoC产品已广泛应用于红外测温领域、智能可穿戴设备、各种消费类电子产品及工业控制、测试测量仪器仪表、传感器信号处理及物联网等众多领域。其中,高精度、低功耗的 24Bits ADC + 8Bits MCU类SoC 一直保持国内电子秤及红外测温枪市场领先地位,年销售芯片上亿颗。 7、北京时代民芯科技有限公司 时代民芯(MXTRONICS)以中、高端集成电路产品为主线,依托雄厚的航天资源和技术优势开展数字电路、 模拟电路 及混合信号电路的研发,产品已 广泛应用 卫星导航、通讯、计算机、汽车电子、消费类电子等领域。 8、深圳市天微电子股份有限公司 天微(TM)的 数据转换器 、LED/LCD显示驱动、射频(RF) IC、电源管理产品、其他类型传感器以及信号处理产品,广泛应用于诸如工业自动化、智能家居、物联网以及消费电子等市场。 9、芯佰微电子(北京)有限公司 芯佰(COREBAI)已经研发的主要产品为放大器、接口电路、电源管理,时间数字转换器、DAC数模转换、 ADC模数转换 等,广泛应用于手持移动终端、消费类电子产品、个人电脑及周边,网络、电信设备、医疗设备、办公设备、汽车电子及工业控制设备等领域。 10、 苏州简约纳电子有限公司 简约纳(SIMPLIGHT)目前主要从事数字基带芯片和模拟芯片的研发设计,先后推出了GSM/GPRS基带芯片、商密芯片、LTE-CAT1物联网基带芯片、国家电网物联网基带芯片和 高速高精度ADC/DAC芯片 ,涵盖了数字和模拟芯片军民两用市场。在模拟芯片领域,简约纳研发了高速高精度国产模拟数字转转芯片(ADC),全部产品均为正向研发,拥有全部知识产权,产品性能比肩国际领先水平。 相信假以时日,中国的ADC芯片也能实现自给自足。以上绝大部分国货在拍明芯城均有销售,我们会一如既往的引进更多的优质国产品牌,为电子工程师提供更为丰富的产品/方案信息和物美价廉的元器件,助力国产替代。
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    2020-7-1 11:03
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    ADC电压调整器: 清除ADRDY。 2. ADC电压调整器开启方式:写ADVREGEN=1或写ADCAL=1或ADEN=1 3. ADC电压调整器关闭方式:确保ADC已关闭(ADEN=0),写ADVREGEN=0 ADC参考电压源: 该参考电压源连接在ADC IN17通道,出厂校准时,VDDA被设定在3.3V,因此实际的VDDA值可以通过测试该参考电压源的方式来进行校准:VDDA = 3V * VREFINT_CAL / VREFINT_DATA(其中VREFINT_CAL为出厂时的校准值,VREFINT_DATA为通道17读到的值) 通道电压=VDDA * ADC_DATA / FULL_SCALE(12位分辨率时,FULL_SCALE=2^12 - 1 = 4095) ADC校准: 通过写ADCAL=1(确保ADEN=0)开启校准,等待ADCAL=0(或者EOCAL=1),校准完成,校准值可通过ADC_DR 获得。ADC关闭或电压调整器关闭不会导致校准值丢失,只有在MCU进入STANDBY模式(ADC电源被移除)时或ADC执行外围复位时才会被清除。当VDDA发生改变时,建议重新做一次校准。ADC校准值可以通过软件读取和写入。 ADC开关控制: 开启:清除ADRDY标志位,写入ADEN=1开启ADC,ADRDY标志表示ADC已经被开启,可以执行进一步的操作了(电压调整器未被开启的话也会被自动开启) 关闭:确保ADSTART=0(没有正在进行的转换),ADDIS=1关闭ADC,成功关闭后ADEN和ADDIS位都会被硬件自动清0,清除ADRDY标志位 注意:在自动关闭模式(AUTOFF=1)下,ADC开关是硬件自动控制的,此时ADRDY标志不会被置位 ADC时钟: ADC模块有2路时钟可供选择,一路为异步时钟,另外一路为MCU外围同步时钟PCLK。当ADC时钟频率低于3.5MHz时,必须打开低频模式(ADC_CCR:LFMEN=1) ADC配置: 1. 软件写入ADCAL(校准ADC)和ADEN(开启ADC)位时必须确保ADEN=0 2. 软件写入ADSTART(启动采样转换)和ADDIS(关闭ADC)位时必须确保ADEN=1,并且ADDIS=0(没有关闭ADC的请求发生)。ADC操作执行过程中,ADSTART位会持续为1,当ADSTART=0时,表示ADC处于空闲状态,此时可以重新进行ADC配置 3. 软件写入ADSTP(停止采样转换)位时必须确保ADCEN=1,且ADSTART=1、ADDIS=0(没有关闭ADC的请求发生) 注意:ADC对于以上操作没有硬件保护,任何违反规则的操作可能使ADC进入未定义状态 ADC转换时间: ADC转换时间=ADC采样时间+12.5个ADC时钟周期(12位转换精度时) 假设ADC时钟为16M,采样时间为3.5个时钟周期,则转换时间为16个时钟周期,即1us ADC单次转换(CONT=0): 对于配置有多个通道序列的情况下,每个通道转换完成后,转换数据会被存储到ADC_DR寄存器,EOF(end of conversion)标志会被置位;当所有通道都转换完成后,EOS(end of sequence)标志会被置位;然后ADC停止(当ADC由软件启动时,此时ADSTART=0;否则,ADSTART仍然保持为1,并在下个触发事件发生时立即启动采样转换),等待新的软件启动或触发启动 ADC连续转换(CONT=1): 同ADC单词转换,去别在于每一轮转换结束后,ADC立即启动新一轮转换(ADSTART始终为1)。 ADC断续转换(DISCEN=1): 每个软件或硬件触发事件仅启动一个通道的转换,该通道转换完成后置位EOC标志;当所有通道转换完成后,EOS标志会被置位;然后接下来的触发事件,ADC重新从第一个通道开始新一轮的转换操作 注意:禁止将连续转换(CONT)标志和断续转换(DISCEN)标志同时置1 停止ADC转换(ADSTP): 通过写入ADC_CR:ADSTOP=1,软件能够停止正在进行的转换操作,这将复位ADC并使ADC处于空闲状态。 在执行ADSTOP=1写入后,软件可通过读取ADSTOP位确定停止操作是否完成,当该位为0时,表示ADC已停止,此时ADSTART位也会被清0 ADC转换状态标志位: EOC标志:只要有新的转换数据写入ADC_DR,该标志便会被置位。该位可以通过软件清除或者通过读取ADC_DR寄存器清除 EOSMP标志:采样完成后该标志会被置位。该标志可用于进行转换同步(由于采样结束到转换结束间的时间非常短,建议采用轮询方式或WFE指令,而不是采用中断或WFI指令) EOS标志:所有通道序列转换完成后,该标志置位 OVR标志:当上次转换的数据没有被读出,而新的转换已经结束时,该标志会被置位(即新的转换完成同时EOC标志等于1时)。ADC发生溢出后,还会继续保持运行。通过软件配置,可以选择在溢出发生时,是覆盖上一次的数据(OVRMOD=1)还是保持上一次的转换数据(OVRMOD=0)。 注意:当使用DMA方式读取数据时,DMAEN位必须被置1。如果DMA请求不能及时处理转换数据,发生溢出后,ADC停止产生DMA请求,新的转换数据将不会再被DMA进行传输。DMA只有在清除了OVR标志后才会再次启动传输。 DMA模式: 单次模式:每次新的转换数据产生后,ADC产生DMA请求;当所有字节传输完成后,ADC停止产生DMA请求(即使新的转换已再次启动)。当DMA传输完成后,ADC数据寄存器的内容会被冻结,任何接下来的转换数据会被丢弃,序列扫描也会被停止和复位。 环形模式:该模式下,DMA数据传输不会停止,数据会被循环存储 ADC低功耗特性: WAIT模式:当该模式位被置1时,每次转换结束后,只有ADC_DR寄存器被读取或者EOC标志被清除后,才会发起新的转换。这种模式可以使ADC的转换速度进行自动调整以适应系统速度(当转换正在进行时或者ADC正在等待时,硬件触发信号会被忽略) AUTOFF模式:当该模式位被置位时,当不需要进行转换时,ADC会被自动关闭;当需要进行转换时,ADC会自动唤醒,启动时间也会被自动插入。该模式可以结合WAIT模式以适应低功耗应用。 ADC过采样: 过采样功能可以进行数据平均,降低数据率,改善信噪比(SNR),简单滤波。过采样率N可以配置为2X~256X,除数因子M由8位的右移位(除数=2^M)表示。过采样模式下,转换时间将被延长N倍。EOC标志会在N次转换后(过采样结果产生时)被置位,EOCSEQ在所有通道的过采样结果产生后被置位。 可结合过采样的ADC操作:单次或连续转换模式、软件或硬件触发启动、ADC停止转换、CPU或DMA读取数据、低功耗模式、可编程的分辨率
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    2019-7-21 22:01
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    如何评估采样系统时钟要求(一)之抖动对ADC信噪比(SNR)的影响 ...
    简介 在 ADC 应用中,最常见的一个问题是如何提供编码源。若要使所选数据转换器实现最佳性能,正确选择编码时钟至关重要。随着近年来采样模拟输入频率不断增高,这一点显得尤为重要,那么时钟抖动对采样系统影响有多大、如何量化,本文是“如何评估采样系统时钟要求”第一部分,主要描述抖动抖动对 ADC 信噪比( SNR )的影响。 1. 采样保持放大器基本概念 探究 ADC 输入端时,无论 ADC 电路形式如何,总是离不开采样保持放大器构架( SHA ),如图 1.1 所示, SHA 由四个主要部分组件,输入放大器( input amplifier )、储能装置 ( capacitor ) 、输出缓冲器( output buffe )和开关电路( switching circuits )对于所有的 SHA 电路都是通用的。 图 1.1 采样保持放大器基本构架 保持电容作为 SHA 的核心,输入放大器提供信号源提供高阻抗转换并且提供了提供电流增益来驱动采样电容,如图 1.2 所示,在采样模式下,开关闭合,电容两端电压跟随输入信号进行变化,同时具有输入信号相同延时和带宽限制。在保持模式下,开关断开,电容保持在与输入缓冲器断开连接之前的电压,同时输出缓冲器为保持电容器提供高阻抗,以防止保持电压泄露而出,基本的 SHA 转换过程,主要分为四种,跟踪模式( track mode )、跟踪转保持模式( track-to-hold transition )、保持模式( hold mode )、保持转跟踪模式( hold-to-track transition ),本文主要涉及的内容在 track-to-hold transition 下,其他模式就不详细描述了,因为在 track-to-hold transition 下参数变化直接影响采样系统的性能。 图 1.2 采样保持时域的波形变化 1.1 孔径时间( Aperture Time ) 在 track-to-hold transition 模式下,误解最深、滥用最多的可能是那些包含 “ 孔 径 ” 的一些参数,如图 2.1 给出了一个简单的模型, SHA 最基本的动态特性是它能够快速断开保持电容与输入缓冲放大器的连接,这一动作所需的极短(但非零) 时间间隔称为 “ 孔径时间 ” (或 “ 采样孔径 ” ) ta ,此间隔结束时电压保持的实际值取决于输入信号压摆率和开关操作本身引入的误差。图 2.1 显示对两个任意斜率的输入信号(分别标为 1 和 2 )应用保持命令时的情况。为清楚起见采样保持基底误差和开关瞬态忽略不计。最终保持的值是输入信号的延迟版本,并且是开关孔径时间范围内的平均值。该一阶模型假设,保持电容上的最终电压值约等于应用于开关的信号在开关从低阻抗变为高阻抗的时间间隔 (ta) 内的平均值。即可以理解为开关变换的过程,由低阻抗到高阻抗实际等效为一个平均阻抗的变换,实际上切换的过程是不线性的。 图 2.1 采样保持波形和定义 1.2 孔径抖动( Aperture Jitter ) 但是如果采样时钟中存在样本间变化,则会产生相应的电压误差,如图 2.2 所示。在开关断开的时刻,这种样本间变化的不确定性我们成为“孔径抖动” ,通常用均方根皮秒 (ps rms) 来衡量。 图 2.2 孔径抖动 通过下面的简单分析,可以预测抖动对理想 ADC SNR 的影响。假设输入信号由下式给出为:V(t)=Vo sin(2πf*t) 对输入信号微分,求出信号的变化速率为:dv/dt=2πf×Vo cos(2πf*t) 同时将幅度 2πfVo 除以√2 可以获得dv/dt 的均方根值:dv/dt|rms=(2πf*V0)/√2 令∆V_rms 均方根电压误差, Δt 为 均方根孔径抖动 tj ,那么上式变换为:∆V_rms=(2πf*V0* tj)/√2 2 采样系统以及时钟相位噪声和抖动的影响 2.1 抖动对 ADC 信噪比 (SNR) 的影响 从 ∆V_rms 均方根电压误差来看,采集后电压值得误差随输入频率线性增加,所以在高频段,比如中频采集接收器应用中,时钟参数指标变得非常重要。其实对于采集系统,采集的过程我们可以理解为一个混频过程,输入信号乘以本振,才采样系统中这个本振就是 ADC 的采样时钟。因为时域上乘法在频域上是卷积,所以采样时钟的频谱和输入信号的频谱卷积就是 ADC 采样的结果,也就就是就说时钟的频谱会进入 ADC 采样的结果中,采样之后的时钟抖动就会显现为带宽噪声在采样频率周围周期性的重复。 时钟输入噪声和 ADC 自身抖动的影响可以扩展至采样速率的很多倍并混叠到转换器的基带上,因此这个带宽噪声会降低 ADC 的底噪性能。 假设满量程输入正弦波的均方根值为 V O /√2 , 因此均方根信号与均方根噪声的比值(用 dB 表示)为: 相应输出误差的幅度与模拟输入的变化速率有关。针对既定的孔径抖动值, 孔径抖动误差随着输入 dv/dt 提高而提高。相位抖动对外部采样时钟(或模拟输入)的影响也是产生同样类型的误差。因此, tj 总抖动量为外部采样时钟抖动与 ADC 孔径抖动的方和根。 该公式假设 ADC 具有无限的分辨率,孔径抖动是决定 SNR 的唯一因素,它说明孔径和采样时钟抖动对 SNR 和 ENOB 有严重影响,特别是当输入 / 输出频率较高时。从上式足以看出一个稳定的、低抖动的时钟源对 ADC 是多么的重要。比如考虑 ADC 抖动和时钟抖动后,我们有一个 300fs 的均方根时钟抖动的采样时钟,对于 200MHz 模拟输入信号而言,根据上式 SNR 限制为 68.5dB ,也就是有效位被限制在 11.08bit ,也就是 ADC 理想的最优指标,但是没有考虑 ADC 模拟链路上 P/N 相位和幅度不平衡、电源噪声、 ADC 自身参数等带来的误差。 如果忽略掉 ADC 模拟链路上 P/N 相位和幅度不平衡、电源噪声的影响,将 ADC 自身参数考虑进来,那么时钟抖动和 ADC 孔径抖动,并不是不完全是性能的制约因素,如果考虑 ADC 的微分非线性( DNL )参数和热噪声的影响,那么上面的等式会变得更加有趣,也就是增加量化噪声项,公式增加为如下: 其中: F 为模拟输入频率 Tj 为 总抖动量为外部采样时钟抖动与 ADC 孔径抖动的方和根 ε 最低有效位的“复合均方根 DNL ”噪声,包括热噪声 N 为位数 这个公式为数据转换器的噪声性能提供了计算和量化的过程 2.2 利用 FFT 技术测量 ADC 抖动 有了增加了 ADC 的微分非线性( DNL )参数和热噪声及 总抖动, SNR 量化公式, 用于测量 ADC SNR 、 SFDR 等参数的 FFT 测试程序提供了一种出色的孔径抖动间接测量方法需要注意的是,测量结果不仅包括 ADC 内部孔径抖动,而且包括采样时钟发生器的抖动。因此,所选发生器的均方根抖动规格应当比待测 ADC 的额定孔径抖动低好几倍(各抖动分量以方和根形式合并),图 2.3 显示了孔径抖动测试的基本测试设置。 需要进行两次 SNR 测量,两次测量分别使用频率为 f L 和 f H 的满量程输入正弦波。第一次测量是在相对较低的频率 f L 下测量 SNRL ,此时噪声主要由 ADC 等效输入噪声和量化噪声组成。即使对该低输入频率做出些许改变,仍应测量到相同的 SNR 值。该采样频率一般设置为容许的最大频率。 第二次测量是在高输入频率 f H 下进行 SNRH 测量,此时孔径抖动对 ADC SNR 的影响变得明显。根据 ADC 不同,此频率最高可以达到 f s /2 。根据计算信噪比计算公式: SNRL 计算为: SNRH 计算为: 整理两式计算出 ADC 的 总抖动量 tj 为: 该测试所需的所有测量均使用 SNR 而不是 SINAD (信纳比)。根据 FFT 输出计算 SNR 时,必须消除二次至六次谐波(以及直流成分),这一点非常重要,否则将无法获得准确的孔径抖动大小。最后需要说明的是,由于输入信号或 ADC 采样时钟可能会发生不良抖动,而且布局布线也可能引起抖动和噪声,因此测量小于 10 ps rms 的均方根孔径抖动异常困难。要获得如此高的精度,频率合成器的抖动必须非常低,此外还应谨慎处理布局布线、信号路由、接地和去耦。
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