ADC中高精度轉(zhuǎn)換序列發(fā)生器的設(shè)計(jì)

萬 清，徐新宇，薛海衛(wèi)，王 澧

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

在信號(hào)處理過程中，自然界的模擬信號(hào)首先要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）變換成數(shù)字信號(hào)，送到DSP中，所得的數(shù)字信號(hào)結(jié)果由D/A轉(zhuǎn)換器送出。流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是一種常用模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)換速率較高，消耗的芯片面積和功耗卻較低，常嵌入在DSP中，用于無線通信、CCD圖像數(shù)據(jù)處理、超聲監(jiān)測(cè)等高速應(yīng)用領(lǐng)域[1～5]。本文設(shè)計(jì)了一種高精度的轉(zhuǎn)換序列發(fā)生器，能分別單獨(dú)處理8位數(shù)據(jù)，并行后能處理16位數(shù)據(jù)。將此轉(zhuǎn)換序列發(fā)生器用于一款高性能DSP中，提高了DSP的精度。

2 ADC的結(jié)構(gòu)分析

此ADC模塊共有16個(gè)通道，可配置為兩個(gè)獨(dú)立的8通道模塊，以便為事件管理器A和B（EVA和EVB）服務(wù)。這兩個(gè)獨(dú)立的8通道模塊也可以級(jí)聯(lián)組成一個(gè)16通道模塊來使用。雖然有多個(gè)輸入通道和兩個(gè)序列發(fā)生器，但是在ADC模塊中僅有一個(gè)轉(zhuǎn)換器。圖1為DSP中ADC模塊的框圖。ADC模塊的功能主要有：（1）內(nèi)建兩個(gè)采樣保持電路（S/H）的12位ADC核心；（2）6個(gè)輸入通道，多路選擇輸入；（3）自動(dòng)序列化能力，在一次轉(zhuǎn)換任務(wù)中，能提供多達(dá)16個(gè)自動(dòng)轉(zhuǎn)換，并且每個(gè)轉(zhuǎn)換可以通過編程選擇16個(gè)輸入通道中的任何一個(gè)；（4）序列發(fā)生器可以配置成兩個(gè)獨(dú)立的8狀態(tài)序列發(fā)生器或一個(gè)16狀態(tài)序列發(fā)生器（即兩個(gè)8狀態(tài)序列發(fā)生器級(jí)聯(lián)）；（5）16個(gè)結(jié)果寄存器（可獨(dú)立尋址）用來保存轉(zhuǎn)換結(jié)果；（6）靈活的中斷控制機(jī)制，允許中斷請(qǐng)求出現(xiàn)在每一個(gè)或每隔一個(gè)轉(zhuǎn)換序列結(jié)束（EOS）時(shí)；（7）序列發(fā)生器可以工作在“啟動(dòng)/停止”模式，允許多個(gè)“時(shí)間序列”觸發(fā)以使轉(zhuǎn)換同步；（8）采樣保持電路的采集時(shí)間可以單獨(dú)預(yù)分頻控制。

圖1 DSP中ADC模塊框圖

兩個(gè)8通道模塊具有自動(dòng)序列化一系列轉(zhuǎn)換的能力。通過模擬多通道選擇器，每個(gè)模塊都可以選擇可用的8個(gè)通道中的任何一個(gè)通道。在級(jí)聯(lián)模式下，自動(dòng)序列發(fā)生器可以作為一個(gè)單一的16通道序列發(fā)生器來使用。在每個(gè)序列發(fā)生器上，一旦轉(zhuǎn)換結(jié)束，已選擇通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果就被保存在各個(gè)通道相應(yīng)的結(jié)果寄存器（ADCRESULT）中。自動(dòng)序列化的功能允許系統(tǒng)對(duì)同一個(gè)通道轉(zhuǎn)換多次，允許用戶使用過采樣算法。相比傳統(tǒng)的單次采樣轉(zhuǎn)換，這將提高轉(zhuǎn)換結(jié)果的精度。

3 自動(dòng)轉(zhuǎn)換序列發(fā)生器的設(shè)計(jì)

ADC的序列發(fā)生器由兩個(gè)獨(dú)立的8狀態(tài)序列發(fā)生器（SEQ1和SEQ2）組成，它們可以級(jí)聯(lián)組成一個(gè)16狀態(tài)的序列發(fā)生器（SEQ）?！盃顟B(tài)”一詞表示序列發(fā)生器完成的自動(dòng)轉(zhuǎn)換數(shù)。單序列（16狀態(tài)，級(jí)聯(lián)）和雙序列模式（8狀態(tài)，分立）分別如圖2和圖3所示。

圖2 級(jí)聯(lián)模式下ADC自動(dòng)序列化框圖

圖3 雙序列模式下ADC自動(dòng)序列化框圖

在以上兩種工作方式下，ADC都可以對(duì)一系列的轉(zhuǎn)換進(jìn)行自動(dòng)排序。這意味著ADC每收到一個(gè)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換請(qǐng)求，模塊可以自動(dòng)執(zhí)行多次轉(zhuǎn)換。對(duì)于每一次轉(zhuǎn)換，可以通過模擬多路開關(guān)選擇16個(gè)可用輸入通道中的任何一個(gè)。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，所選通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果被保存在相應(yīng)的結(jié)果寄存器（ADCRESULT）中（如第一個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在ADCRESULT0中，第二個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在ADCRESULT1中等）。也可以對(duì)同一個(gè)通道采樣多次，允許用戶使用“過采樣”，其較傳統(tǒng)的單次采樣轉(zhuǎn)換結(jié)果提供了更高的精度。

在雙序列發(fā)生器模式下，進(jìn)行序列采樣時(shí)，來自“非當(dāng)前”序列發(fā)生器的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換（SOC）請(qǐng)求將在當(dāng)前激活的序列發(fā)生器的序列初始化完成后自動(dòng)執(zhí)行。例如當(dāng)一個(gè)來自SEQ1的SOC請(qǐng)求到來時(shí)，ADC正忙于應(yīng)付SEQ2，則ADC將在完成SEQ2請(qǐng)求的工作后立即啟動(dòng)SEQ1。如果SEQ1和SEQ2同時(shí)發(fā)出SOC請(qǐng)求，則SEQ1的SOC請(qǐng)求具有高的優(yōu)先級(jí)。例如當(dāng)ADC正忙于應(yīng)付SEQ1，在這個(gè)過程中又產(chǎn)生了來自SEQ1和SEQ2的SOC請(qǐng)求，則當(dāng)完成SEQ1的當(dāng)前轉(zhuǎn)換序列后，來自SEQ1的SOC請(qǐng)求將被立即執(zhí)行，SEQ2的SOC請(qǐng)求將保持待決。

DSP中僅有一個(gè)ADC，在雙序列模式下ADC由兩個(gè)序列發(fā)生器共享。序列發(fā)生器工作在雙8狀態(tài)和16狀態(tài)模式時(shí)基本相同，它們的細(xì)微差別如表1所示。

表1 單一模式和級(jí)聯(lián)模式的比較

每次序列轉(zhuǎn)換所選擇的模擬輸入通道是由ADC輸入通道選擇序列控制寄存器（ADCCHSELSEQn）中的CONVnn位域來定義的。CONVnn有4位長(zhǎng)度，可用來指定16個(gè)通道中的任何一個(gè)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。當(dāng)使用級(jí)聯(lián)方式的序列發(fā)生器時(shí)，最大可以實(shí)現(xiàn)16次轉(zhuǎn)換，因此有16個(gè)這樣的4位域（CONV00～15）可用，它們分布于4個(gè)16位寄存器（ADCCHSEL SEQ1～ADCCHSEL SEQ4）。CONVnn的值可以為0～15中的任何值。模擬通道可以設(shè)定為任何想要的順序，且同一個(gè)通道可以選擇多次。

ADC還能工作于并發(fā)采樣模式或序列采樣模式。對(duì)于每個(gè)轉(zhuǎn)換（或并發(fā)采樣模式下的一對(duì)轉(zhuǎn)換），當(dāng)前CONVnn位域定義了將被采樣和轉(zhuǎn)換的引腳（或一對(duì)引腳）。在序列采樣模式下，CONVnn的4位全部用來定義輸入引腳，其中最高位MSB定義了與輸入引腳相連接的采樣-保持緩沖器，低三位定義了偏移量。例如，如果CONVnn的值為0101b，則選擇的輸入引腳為ADCINA5。如果CONVnn的值為1101b，則選擇的輸入引腳為ADCINB5。在并發(fā)采樣模式下，CONVnn寄存器的最高位MSB被舍棄，采樣-保持緩沖器采樣由CONVnn寄存器的第三位所定義的偏移量的輸入引腳。例如，如果CONVnn寄存器的值為0110b，則采樣保持器A（S/H-A）對(duì)ADCINA6進(jìn)行采樣，采樣保持器B（S/H-B）對(duì)ADCINB6進(jìn)行采樣。如果CONVnn寄存器的值為1001b，采樣保持器A（S/H-A）對(duì)ADCINA1進(jìn)行采樣，采樣保持器B（S/H-B）對(duì)ADCINB1進(jìn)行采樣，且采樣保持器A（S/H-A）中的電壓值首先被轉(zhuǎn)換，然后轉(zhuǎn)換采樣保持器B（S/H-B）中的電壓值。采樣保持器A（S/H-A）的轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在當(dāng)前ADCRESULTn寄存器（SEQ1的ADCRESULT0，假定序列發(fā)生器已經(jīng)復(fù)位）中，采樣保持器B（S/H-B）的轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在下一個(gè)ADCRESULTn（SEQ1的ADCRESULT1，假定序列發(fā)生器已經(jīng)復(fù)位）中，然后結(jié)果寄存器指針加2（指向SEQ1的ADCRESULT2，假定序列發(fā)生器初始時(shí)已經(jīng)復(fù)位）。

圖4顯示了序列采樣模式下（Sequential Sampling Mode）的時(shí)序。在本例中，ACQ_PS[3∶0]位被置為0 0 0 1 b。其中A D C通道地址存儲(chǔ)在[CONVnn]的4位寄存器中；CONV00～07用于SEQ1，CONV08～15用于SEQ2。C1表示結(jié)果寄存器更新時(shí)間。S表示采集窗口。

圖4 序列采樣模式下的時(shí)序（SMODE=0）

圖5顯示了并發(fā)采樣模式下（Simultaneous Sampling Mode）的時(shí)序。在本例中，ACQ_PS[3∶0]位被置為0001b。ADC通道地址存儲(chǔ)在[CONVnn]的4位寄存器中；CONV00意味著A0/B0通道，CONV01意味著A1/B1通道。C1表示Ax通道轉(zhuǎn)換結(jié)果保存到結(jié)果寄存器所需時(shí)間；C2表示Bx通道轉(zhuǎn)換結(jié)果保存到結(jié)果寄存器所需時(shí)間。

圖5 并發(fā)采樣模式下的時(shí)序（SMODE=1）

4 連續(xù)自動(dòng)序列化模式設(shè)計(jì)

在這種模式下，SEQ1/SEQ2在一次序列化過程中能夠最多對(duì)任意通道進(jìn)行8次轉(zhuǎn)換（級(jí)聯(lián)序列發(fā)生器為16次）。每次的轉(zhuǎn)換結(jié)果按照地址從低到高的順序保存在8個(gè)結(jié)果寄存器（SEQ1為ADCRESULT0～ADCRESULT7，SEQ2為ADCRESULT8～ADCRESULT15）的一個(gè)中。

一個(gè)序列的轉(zhuǎn)換次數(shù)由MAX CONVn（MAX CONV寄存器中的一個(gè)3位域或4位域）控制，該值在啟動(dòng)一個(gè)序列化轉(zhuǎn)換時(shí)，自動(dòng)裝載到自動(dòng)序列狀態(tài)寄存器（ADCASEQSR）的序列計(jì)數(shù)器狀態(tài)位（SEQ CNTR[3∶0]）中。MAX CONVn位域的值在0～7之間（級(jí)聯(lián)序列發(fā)生器為0～15）。當(dāng)序列發(fā)生器從狀態(tài)CONV00開始并順序地進(jìn)行轉(zhuǎn)換（CONV01，CONV02等）時(shí)，SEQ CNTRn位域的值從裝載的值開始進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，直到SEQ CNTRn為0。一次序列化過程中，完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)等于（MAX CONVn+1）。

一旦序列發(fā)生器收到啟動(dòng)轉(zhuǎn)換（SOC）觸發(fā)信號(hào)，轉(zhuǎn)換立即開始。SOC信號(hào)觸發(fā)裝入SEQ CNTRn位，轉(zhuǎn)換按照CHSELSEQn寄存器中設(shè)定的那些通道順序進(jìn)行。每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后，SEQ CNTRn位自動(dòng)減1。一旦SEQ CNTRn的值為0，將出現(xiàn)以下兩種情況，這取決于ADCTRL1寄存器中連續(xù)運(yùn)行位（CONT RUN）的狀態(tài)：（1）如果CONT RUN置位（為1），則轉(zhuǎn)換序列將自動(dòng)重新開始（即SEQ CNTRn再次裝入MAX CONV1的初始化值，SEQ1的狀態(tài)置為CONV00）。在這種情況下，為了避免數(shù)據(jù)被覆蓋，用戶必須確保在下次轉(zhuǎn)換序列開始之前讀取結(jié)果寄存器的值。ADC模塊中的仲裁邏輯保證了競(jìng)爭(zhēng)（ADC模塊正試圖向結(jié)果寄存器寫入數(shù)據(jù)而用戶卻試圖從結(jié)果寄存器讀取數(shù)據(jù)）出現(xiàn)時(shí)，結(jié)果寄存器不會(huì)被破壞。（2）如果CONT RUN為0，則序列發(fā)生器保持在最后的狀態(tài)（本例中為CONV06），SEQ CNTRn繼續(xù)保持0值。為了在下一個(gè)SOC重復(fù)此序列，則在下一個(gè)SOC信號(hào)到來之前，必須用RST SEQn復(fù)位序列發(fā)生器。

如果在每次SEQ CNTRn到0時(shí)，都置位中斷標(biāo)志位（INT ENA SEQn = 1，INT MOD SEQ1 = 0），在中斷服務(wù)程序中，（如果需要）用戶可以手動(dòng)復(fù)位序列發(fā)生器（使用ADCTRL2寄存器的RST SEQn位）。這將使SEQn狀態(tài)復(fù)位為初始值（SEQ1為CONV00，SEQ2為CONV08）。這個(gè)特點(diǎn)在序列發(fā)生器的啟動(dòng)/停止操作中很有用。

4.1 序列發(fā)生器啟動(dòng)/停止模式

除了連續(xù)自動(dòng)序列化模式外，任何序列發(fā)生器（SEQ1、SEQ2或SEQ）都可以工作在啟動(dòng)/停止模式，它和在時(shí)間上分離的多個(gè)SOC觸發(fā)信號(hào)同步。此方式和前例基本相同，但是序列發(fā)生器在完成一個(gè)轉(zhuǎn)換序列后，序列發(fā)生器不必復(fù)位到初始狀態(tài)CONV00就可以被重新觸發(fā)，即序列發(fā)生器在中斷服務(wù)子程序中不需要復(fù)位。因此，一個(gè)轉(zhuǎn)換序列結(jié)束時(shí)，序列發(fā)生器將停留在當(dāng)前轉(zhuǎn)換狀態(tài)。對(duì)于這種模式，ADCTRL1寄存器的連續(xù)運(yùn)行位（COUNT RUN）必須置0，即被禁用。

4.2 輸入觸發(fā)描述

每一個(gè)序列發(fā)生器都有一套能被使能/禁止的輸入觸發(fā)信號(hào)。SEQ1、SEQ2和級(jí)聯(lián)SEQ的有效輸入觸發(fā)信號(hào)如表2所示。

表2 序列發(fā)生器有效輸入觸發(fā)信號(hào)

在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意：（1）只要一個(gè)序列發(fā)生器處于空閑狀態(tài)，則一個(gè)SOC觸發(fā)就能啟動(dòng)一個(gè)自動(dòng)轉(zhuǎn)換序列。空閑狀態(tài)是指在接收到一個(gè)觸發(fā)之前序列發(fā)生器指向CONV00或序列發(fā)生器已經(jīng)完成一個(gè)轉(zhuǎn)換序列，即SEQ CNTRn已經(jīng)為0。（2）當(dāng)轉(zhuǎn)換序列正在進(jìn)行時(shí)，如果發(fā)生了一個(gè)SOC觸發(fā)，則在ADCTRL2寄存器中的SOC SEQn位置位（該位在前一轉(zhuǎn)換序列開始時(shí)已經(jīng)被清0）。如果還有一個(gè)SOC觸發(fā)發(fā)生，則它會(huì)被丟失（即當(dāng)SOC SEQn位已經(jīng)被置位時(shí)，隨后的觸發(fā)將被忽略）。（3）一旦觸發(fā)，序列發(fā)生器將不能停止或暫停。程序必須等到一個(gè)序列結(jié)束（EOS）或?qū)π蛄邪l(fā)生器進(jìn)行復(fù)位，才能使序列發(fā)生器返回到空閑狀態(tài)（SEQ1和級(jí)聯(lián)方式為CONV00，SEQ2為CONV08）。（4）當(dāng)SEQ1/2工作在級(jí)聯(lián)方式，進(jìn)入到SEQ2的觸發(fā)源被忽略，而到SEQ1的觸發(fā)源有效。因此，級(jí)聯(lián)模式可以視為SEQ1具有最多16個(gè)狀態(tài)而不是8個(gè)。

4.3 序列轉(zhuǎn)換過程中的中斷操作

序列發(fā)生器可以在三種工作方式下產(chǎn)生中斷。這三種方式由ADCTRL2中的中斷模式使能控制位決定。首先，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)序列和第二個(gè)序列的采樣數(shù)目不等時(shí)，中斷方式1（每次EOS到來時(shí)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求）操作如下：（1）對(duì)于轉(zhuǎn)換I1和I2，序列發(fā)生器初始化為MAX CONVn=1。（2）對(duì)于轉(zhuǎn)換V1、V2和V3，在中斷服務(wù)程序“a”中，將MAX CONVn的值通過軟件改為2。（3）在中斷服務(wù)程序“b”中將完成如下操作：對(duì)于轉(zhuǎn)換I1和I2，MAX CONVn的值又改為1，從ADC結(jié)果寄存器中讀取I1、I2、V1、V2、V3的值；復(fù)位序列發(fā)生器。（4）重復(fù)第（2）步和第（3）步。

其次，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)序列和第二個(gè)序列的采樣數(shù)目相等時(shí)，中斷方式2（每隔一個(gè)EOS信號(hào)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求）操作如下：（1）對(duì)于轉(zhuǎn)換I1、I2和I3（或V1、V2和V3），序列發(fā)生器初始化為MAX CONVn=2。（2）在中斷服務(wù)程序“b”和“d”中完成如下操作：從結(jié)果寄存器中讀取I1、I2、I3、V1、V2和V3的值，復(fù)位序列發(fā)生器。（3）重復(fù)第（2）步操作。

最后，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)序列和第二個(gè)序列的采樣數(shù)目相等（帶虛讀）時(shí)，中斷方式2（每隔一個(gè)EOS信號(hào)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求）操作如下：（1）對(duì)于轉(zhuǎn)換I1、I2和x，序列發(fā)生器初始化為MAX CONVn=2。（2）在中斷服務(wù)子程序“b”和“d”中完成如下操作：從結(jié)果寄存器中讀取I1、I2、x、V1、V2和V3的值，復(fù)位序列發(fā)生器。（3）重復(fù)第（2）步操作。值得注意的是：第3個(gè)采樣（x）是一個(gè)假采樣，并沒有要求采樣。然而，為了使中斷服務(wù)子程序的開銷和CPU的干預(yù)最小，采用了模式2的“相間”中斷請(qǐng)求功能。以上三種中斷操作如圖6所示。

5 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種高精度的轉(zhuǎn)換序列發(fā)生器，能分別單獨(dú)處理8位數(shù)據(jù)，并行后能處理16位數(shù)據(jù)。這意味著ADC每收到一個(gè)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換請(qǐng)求，模塊可以自動(dòng)執(zhí)行多次轉(zhuǎn)換。對(duì)于每一次轉(zhuǎn)換，可以通過模擬多路開關(guān)選擇16個(gè)可用輸入通道中的任何一個(gè)。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，所選通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果被保存在相應(yīng)的結(jié)果寄存器中。也可以對(duì)同一個(gè)通道采樣多次，允許用戶使用“過采樣”，其較傳統(tǒng)的單次采樣轉(zhuǎn)換結(jié)果提供了更高的精度。

圖6 序列轉(zhuǎn)換過程中的中斷操作

[1] LIMOTYRAKIS S, KULCHYCKI S D, SU D K, et a1. A 150-MS/s 8-b 71-Mw CMOS time-interleaved ADC [J].IEEE Journa1 of Solid—State Circuits, 2005, 40（5）∶1057-1067.

[2] 謝磊，李建，曾曉陽，等. 一個(gè)高性能低功耗10位30MS/s流水線A／D轉(zhuǎn)換器[J]. 固體電學(xué)研究與進(jìn)展,2009, 29（2）∶ 292-296.

[3] LEE Seung-chul, KIM Kwi-dong, KWON Jong-kee, et a1. A 10 bit 400 MS/s 160 mW 0.13 um CMOS dualchannel pipe1ine ADC without channel mismatch calibration [J]. IEEE Journal of Solid—State Circuits,2006, 41（7）∶ 1596-1605.

[4] ARIAS J, BOCCUZZI V, QUINTANILLA L, et a1. Low power pipeline ADC for wireless LANs [J]. IEEE Journal of Solid State Circuits, 2004, 39（8）∶ 1338-1340.

[5] HU J, DOI EV N, MURMANN B. A 9.4-bit, 50 MS/s,1.44mW pipelined ADC using dynamic source follower residue amplification [J]. IEEE Journal of Solid State Circuits, 2009, 44（4）∶ 1057- 1066．