【技术】EFM8LB单片机之14位高精度ADC模数转换器,900Ksps采样率

2018-01-23 世强 东方的风

Silicon Labs作为世界顶级混合信号器件厂商,推出的EFM8Laser Bee系列,将8位单片机性能推向了新的高度。EFM8LB操作频率最高为72MHz,远高于业界水平,在仅为3mm × 3mm的QFN封装中集成14位ADC模数转换器和4路12位DAC数模转换输出。超高的模拟处理能力,是EFM8LB系列芯片特色之一。


14位ADC转换器

ADC转换是指将模拟输入信号转换成N位二进制数字输出信号的过程。在通信产品、消费类产品、工业医疗仪器乃至军工产品中无一不显现ADC转换器的身影。ADC的转换精度,转换速率直接影响采集信号的质量和能力。在低成本的8位单片机中,往往只集成了10位的ADC转换器,即使在32位的ARM内核的MCU中,一般也只集成了12位的ADC转换器,然而EFM8LB系列单片机,在低价格的基础上,集成了14位高精度的ADC转换器,同时支持10位、12位、14位设置选择,使用灵活。有些芯片厂商,为了提高ADC的采集精度,会采用多次采集,通过硬件计算的方式达到高精度的目的,但是这种方式会降低ADC的采集速率,不能及时反映模拟端信号变化。但是,EFM8LB系列在14位采集精度的情况下,仍然可以达到900Ksps的采样率。


采样进度和采样率是ADC的基本性能参数,但是,只有这两个参数并不能反映ADC的好坏。一个好的ADC转换器,还需要有好的积分非线性度(Interger NonLiner)、差分非线性值(Differencial NonLiner)、失调误差(Offset Error)等。


积分非线性度(Interger NonLiner),为单值数据误差,对应该点模拟数据由于元器件及结构造成的不能精确测量产生的误差。它反映了ADC器件在所有的数值点上对应的模拟值,和真实值之间误差最大的那一点的误差值。也就是,输出数值偏离线性最大的距离。单位是LSB。数值越小,表示误差越小。EFM8LB系列,在14位采样精度的情况下,积分非线性度最大值也只有8.5LSB。


差分非线性值(Differencial NonLiner),它反映了ADC相邻两个刻度之间的最大差异。ADC的刻度,就好比一把尺子上的刻度,由于生产工艺的原因,每个刻度之间的量值存在一定差异,测量工具的误差会反映到最终的测量结果。所以差分非线性值的大小,同样反映ADC转换的好坏,在SAR(逐位比较)型ADC中,尤为重要。EFM8LB系列,在14位采样精度的情况下,差分非线性值最大为2.5LSB。


失调误差(Offset Error),即输入信号为0时,输出信号的误差。失调误差直接反映基准点误差,即便前面的参数很好,如果失调误差大,同样会引起测量值发生较大偏移。EFM8LB系列的ADC,最大的失调误差值也只有8LSB。


下表为EFM8LB系列的ADC部分参数说明。

 

图1:ADC参数


EFM8LB系列的ADC除了有优异的性能,在功能上同样有不错的表现。集成度高,使用灵活。

信号输入,除了外部引脚输入外,还可以选择MCU的VDD、GND、内部LDO、内部温度传感器输入,全面监控MCU状态。


信号输入后,可以进行1x, 0.75x, 0.5x 和0.25x倍增益设置,再加上多种参考电压的选择(包含内部1.65V、内部1.2V、内部2.4V、内部LDO、VDD、Vref引脚输入),可以灵活的设置各种采集范围,得到更高的精度。

多种ADC转换触发模式。包括软件触发,定时器触发,外部引脚触发,PCA触发,CLU触发。丰富的触发模式,让开发更多选择。

 

图2:ADC结构框图


12位DAC转换器

DAC是ADC的逆向动作,将数字信号转换成模拟电压输出,驱动外部设备。DAC的性能好坏直接影响外部电压的控制精度。比如在光模块市场,高可靠性DAC可以有效控制光的波长,功率等参数,达到稳定传输的目的。


EFM8LB系列集成4路12位精度的DAC数模转换器,输出电压范围0~VDD,输出电流最大为2mA。和ADC一样,分非线性度(Interger NonLiner)、差分非线性值(Differencial NonLiner)、失调误差(Offset Error)同样会影响DAC的输出值。从图3可以看出,EFM8LB系列分非线性度(Interger NonLiner)值最大为10LSB;差分非线性值(Differencial NonLiner)值最大为1LSB;失调误差(Offset Error)值最大为8LSB,具有优异的性能。

 

图3:DAC参数


目前,高集成度、高性能的EFM8LB系列已在光模块、测试测量仪器、工业控制、智能传感器等领域得到广泛运用。


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