AN-1286: ADuCM350模拟前端在高噪声数字环境中的精度

引言

ADuCM350是一款完整、纽扣电池供电、高精密的片上计量仪，适合便携式设备应用，例如护理点诊断和穿戴式生命体征等监测设备。

ADuCM350模拟前端(AFE)集成了如下元件：16位、精密、160 kSPS ADC；0.2%精密基准电压源；12位、无失码DAC；以及可重新配置的超低泄漏开关矩阵。ADuCM350还内置一个基于Cortex™-M3的处理器、存储器和所有I/O连接，因而可支持带显示器、USB通信和有源传感器的便携式计量仪。ADuCM350采用120引脚8 mm × 8 mm CSP_BGA封装，额定工作温度范围为-40°C至+85°C。

ADuCM350专门针对电化学反应的高精度分析而设计。

本应用笔记介绍了ADuCM350模拟前端在四种高强度数字噪声环境下的稳健表现。

时序控制器/AFE控制器

ADuCM350利用自主时序控制器来控制模拟前端。因此，AFE能够以异步的方式对Cortex-M3处理器执行周期精确的操作。时序控制器可处理精密且时序关键的操作，而不受系统负载的影响。

Cortex-M3处理器使用RunSequence命令运行序列任务。它有两个独立的DMA通道，用于与时序控制器进行数据传输。为了保证操作完整性，它有两种故障安全操作：序列计数器，用于统计时序控制器执行的命令数量；CRC-8，应用于所有执行的命令。序列一旦开始，就会独立于核心运行，只能利用特定命令中止。

这一功能特性使得ADuCM350能够在高噪声数字环境中执行高精度且稳健的测量。

数字滤波

此模块实现了一个低通电源抑制滤波器，输出数据速率为900 SPS。要求是在直流电流测量阶段抑制50 Hz/60 Hz干扰。

滤波器模块由两个级联的sinc2滤波器组成。第一个滤波器(sinc2hf)将输入数据（以160 kHz采样的ADC数据）抽取至约900 Hz。第二个滤波器(sinc2lf)在50 Hz和60 Hz处添加陷波滤波器以抑制电源干扰。通常，滤波后的数据(sinc2lf)被提供给Cortex-M3，但也可以选择直接读取未经滤波的数据（sinc2hf输出）。

滤波器的建立时间为1/50 + 1/60 = 36.667 ms。

相关框图如图3所示。

sinc2hf滤波器对160 kSPS输入数据进行1/178抽取，产生900 Hz的目标输出数据速率。选择900 Hz的原因是为了更好地对50 Hz和60 Hz进行陷波。

凭借这种配置带来的良好选择性，它非常适合在高噪声数字环境中稳健地进行高精度测量。TIA测量通道的信噪比曲线参见图4。

离散傅里叶变换模块

此模块执行2048点单频离散傅里叶变换(DFT)。它获取16位ADC的输出作为输入，输出复数结果的实部和虚部。

DFT引擎计算单个频点的信号功率，该频点是与激励频率相对应的频点。因此，正弦波形发生器和DFT引擎之间存在紧密耦合。DFT引擎使用频率控制字(AFE_WG_FCW)确定所需的频点。

DFT引擎输出复数结果。Cortex-M3通过下式计算激励频率下的阻抗幅度和相位：

DFT函数经过优化，具有高度选择性和超窄带通滤波器性能，因此具备出色的抗噪声能力。有关对DFT性能进行的仿真，参见图6。

数字应力测试

本节介绍的测量旨在评估可能干扰精密模拟测量的数字噪声。ADuCM350上有许多数字模块，不能产生大量数字噪声，如UART、RTC和定时器。这些测试兼具实用性和针对性。

由于DFT具有较高的选择性，因此这些测量采用使能了Sinc2LPF的抽取ADC。

对于每项测试，第一组测量的条件是仅有ADC转换，而不施加应力。第二组测量的条件是使用时序控制器进行ADC转换，同时激励数字噪声源。

测量是在环境温度下进行的。

CRC应力测试

目的

数据传输测试：DMA执行512个从SRAM0（源）到CRC（目标）的32位传输，无等待状态。使用SRAM1重复此传输。此测试在利用AFE时序控制器进行精密模拟测量时循环进行。

测试的数字模块

• CRC
• DMA
• 总线矩阵
• SRAM0
• SRAM1

结果

结果表明，CRC应力噪声对模拟精度测量的影响可忽略不计。

并行显示接口应力测试

目的

并行显示接口(PDI)与CRC类似，可在内部传输大量32位数据。此外，PDI还会切换宽并行端口（16位），在基本显示操作期间有可能会产生噪声。PDI代表单个接口可同时切换的最大引脚数。

数据在通用(GP)闪存中准备，并用作DMA源。数据通过DMA从GP闪存（源）传输到PDI（目标）。此测试以可能的最大数据速率运行。在进行精密AFE测量时，此传输会循环进行。

测试的数字模块

• PDI
• DMA
• 总线矩阵
• 通用闪存

结果

结果表明，PDI应力噪声对模拟精度测量的影响可忽略不计。

串行外设接口应力测试

高速SPI总线(SPIH)适合视频或音频数据的闪存存储。它支持8 MHz访问速度，并以突发方式运行。

在此应力测试中，SPIH设置为以8 MHz SCLK速度与SRAM 1进行512字节数据块的传输。DMA用于与SPIH进行数据传输。

测试的数字模块

• SPIH
• DMA
• 总线矩阵

结果

结果表明，SPI应力噪声对模拟精度测量的影响可忽略不计。

I²S 应力测试

I²S 代表以低性能音频速率通过系统连续进行8kbps数据速 率传输。这代表8 kHz采样速率、单声道，每个样本8位。它是使用DMA、SRAM、I²S和I/O引脚的稳定数据流的组合。

测试的数字模块

• I²S
• DMA
• SRAM1

结果

结果表明，I²S应力噪声对模拟精度测量的影响可忽略不计。