ht8 mcu 24-bit delta sigma a/d 應用範例 · 2016-12-22 · ht8 mcu 24-bit delta sigma...

HT8 MCU 24-bit Delta Sigma A/D 應用範例

AN0437T V1.00 1/ 9 December 7, 2016


文件編碼：AN0437T

簡介

Delta Sigma 型 ADC 是當今信號採集和處理系統設計人員的工具箱中必不可少的基本器件。

本文的目的是讓讀者對 Delta Sigma 型號 ADC 拓撲結構背後的根本原理有個大概瞭解，並在

這個基礎上，此以 BH66F5233 為例，介紹 HT8 MCU 內部集成 Delta Sigma 型 ADC 的使用方

法和注意事項。

功能說明

Delta Sigma 型 ADC 原理

Delta Sigma 轉換技術是目前高解析度應用中非常通用的一種技術，Delta Sigma 轉換器中最

重要組成部分有兩部分，即 Delta Sigma 調製器和數字濾波器，如下圖所示。

Delta Sigma ADC 結構

對於 Delta Sigma 型 ADC，它有非常高的解析度且噪聲非常低。因為它採用了過採樣的技術，

因此，對前端的抗混頻疊濾波器的要求也大大的降低，一般一個簡單的 RC 低通濾波器就足

夠了。這樣的 ADC 線性度也非常好，但是它付出的代價就是採樣速率的降低，一般這類

ADC 的採樣速率相對比較低。另外內部濾波器對於模擬信號的突變和通道切換，都需要很

長的建立時間。而且輸出的數據和模擬輸入之間有比較長延時，所以這類 ADC 合適用於那

些模擬信號近似直流或者變化很慢的應用，如溫度測量，壓力測量等。


AN0437T V1.00 2/ 9 December 7, 2016

Delta Sigma 結構的 A/D 轉換器優缺點

缺點

Delta Sigma 結構的 A/D 轉換器具有高解析度，轉換結果和 ADC 採樣的時刻有一個滯後，

這影響 ADC 的有效數據的輸出率，並且每次切換通道後，Delta Sigma 結構的 A/D 需要多

個時鐘來建立數字濾波器。所以對 HT8 MCU 內部集成 Delta Sigma 型 ADC，一般建議丟掉

前 3 筆 AD 採樣的數據。另外 Delta Sigma 結構的 A/D 轉換器一般用於低頻信號。

優點

Delta Sigma 結構的 A/D 轉換器採用過採樣技術，有利於簡化抗混疊濾波器設計。

Delta Sigma 結構的 A/D 主要指標 ENOB 和 NFB

Effective Number of Bits (簡稱 ENOB) 和 Noise Free Bits (簡稱 NFB) 是評價 ADC 雜訊性能的

重要指標。

NFB 是指無噪聲碼。ENOB 是指有效位數，可理解為經過濾波等處理可達到的精度。

它們之間的關係是：

NFB ≈ ENOB–2.7 bits

理論基礎：將 ADC 的輸入端固定到合適電壓，將採集回來的 ADC 值進行繪製，會呈現下

圖分佈 (高斯曲線分佈)

根據高斯曲線規定：峰峰值噪聲 (99%的碼字) 會出現在 6.6 倍均方根噪聲範圍內。

即峰峰值噪聲 = 均方根噪聲噪聲 x 6.6。根據 ENOB 和 NFB 定義進行計算就可以得到

NFB ≈ ENOB ‒ 2.7 bits。

峰峰值噪聲和均方根噪聲曲線圖


AN0437T V1.00 3/ 9 December 7, 2016

如果對應於 ADC 的轉換結果，NFB 解析度是沒有跳碼的位數，也就是保持穩定的位數。如

下圖所示。

BH66F5233 的 NFB 和 ENOB

影響 ENOB 和 NFB 的因素：ENOB 的大小與數據傳輸率，PGA 放大倍率和 ADC 速率等有關：

1. 數據傳輸率越高，ENOB 越低。

2. PGA 增益越大，ENOB 越低。

在實際工程中可以粗略估計 ENOB 判斷 ADC 的工作轉態。

具體方法：在 MCU 內部將 ADC 兩個輸入口設定為短接模式，外部將 ADC 的輸入埠固定到

VCM 腳，防止輸入腳浮空，此時得到 ADC 數值的不動位數約等於 NFB，然後加上 2.7bits

得到 ENOB。一般情況下，這個 ENOB 的數值與數據手冊差別不大，但是如果 ENOB 差別

太大的話，則需要確認硬體和軟體是否有錯誤。

軟體上

1. ADC 轉換時鐘設定是否正確。

2. ADC 的數據傳輸率，通常使用 10~100Hz。

3. PGA 的增益，ADC 的增益，參考電壓等，通常使用 PGA Gain x 128 、ADC Gain x 1。

硬體上

1. 確認 ADC 的參考電壓是否正常，是否規格書規定範圍內，另外需要確認參考電壓是

否有跳動的現象

2. 確認 ADC 的輸入電壓是否在規格書規定的範圍內。

其它方面

最後，如果確認硬體和軟體無問題後，ENOB 的依舊很低，可能是 PCB Layout 和環境電磁

干擾影響引起的。

這時重新 Layout 和遠離電磁干擾環境。

BH66F5233 24-Bit Delta Sigma ADC 使用注意事項

硬體上注意事項

參考電壓輸入範圍

0.96V < VREFP < 2.2V 和 0 < VREFN < 1V

0.96V < VREF = VREFP ‒ VREFN < 1.44V

共模電壓輸入範圍

0.4V < VCM_PGA < VOREG ‒ 1.1V

ADC 的差分輸入ΔDI範圍

(-VREF) / Gain < ΔDI < (+VREF) / Gain


AN0437T V1.00 4/ 9 December 7, 2016

BH66F5233 Delta SigmaADC 規格

程式注意事項

1. 在程式設計時，如果 A/D 轉換器未使用，通過設定 ADCR0 暫存器中的 ADOFF 為高，

關閉 A/D 內部電路以減少電源的功耗。此時，不考慮輸入腳的模擬電壓，內部 A/D 轉

換器電路不產生功耗。

2. 關閉 LDO 的時候，VCM 也會關閉。

3. 讀取 ADC 的轉換結果時候，先將 ADC 的值鎖存，防止讀到不需要的數值。待讀取結

束再解開鎖存。

BH66F5233 24-Bit Delta Sigma ADC 使用 F/W 配置

BH66F5233 Delta Sigma 結構的 A/D 轉換器簡介

BH66F5233 包含一個多通道的 24 位元 Delta Sigma 型 A/D 轉換器，它們可以直接接入外部類

比信號(來自感測器或其它控制信號)，並直接將這些信號轉換成 24 位元的數位量。另外，

ADC 輸入信號的放大增益由 PGA 增益控制、ADC 增益控制和 ADC 參考電壓增益控制共同

確定。設計者可以選擇最佳增益組合為輸入信號提供所需的放大增益。下面的方塊圖說明

瞭解 A/D 轉換器的基本操作功能。A/D 轉換器輸入通道由兩組差分輸入通道組成。在 PGA

進入 24 位元 Delta Sigma 型 A/D 轉換器之前，輸入信號被放大。Delta Sigma A/D 轉換調製器

將 1-bit 轉換後的資料輸出到 SINC 濾波器，然後會轉換成 24-bit 的資料，並將它們儲存到特

殊資料暫存器。此外，微控制器還提供了一個溫度感測器來補償 A/D 轉換器由溫度引起的

偏差。這種高精度和高性能的特點，使得該微控制器非常適用於體重秤相關產品。下圖是

BH66F5233 Delta Sigma A/D 的結構。

Symbol Parameter Min. Typ. Max. Unit

fADCK ADC clock frequency －－ 40 409.6 440 kHz

fMCLK = 4MHz,

FLMS[2:0] = 000B

fMCLK = 4MHz,

FLMS[2:0] = 010B

VREFN － 0 0 1 V

VREF = VREFP – VREFN

VCM_PGACommon mode voltagerange

－－ 0.4 － VOREG -1.1 V

Gain accuracy(Design Spec. not fordatasheet)

-VREF +VREF

/Gain /Gain

Ta = -40℃ ~ 85℃,

VREF = 1.25V,

VGS[1:0]=00B (Gain = 1),

VRBUFP = 0,

VRBUFN = 0

ΔDIDifferential input voltagerange － Gain = PGS * AGS －

TCTSTemperature sensortemperature coefficient －－ 175

-10 － 10

μV/℃

Test Conditions

－

V

PGA

Ga

VGS[1:0] = 00B,VREFS =1,VRBUFP = 0,RBUFN =

0VGS[1:0] = 00B,

%

V

VREF － 0.96 1.25 1.44 V

VREFP

Reference input voltage

－ 0.96 1.25 2.2

－－

Hz

－ 10 － 1302 Hz

521

fADO ADC output data rate

－ 4 －


AN0437T V1.00 5/ 9 December 7, 2016

BH66F5233 的 ADC 結構

BH66F5233 Delta Sigma 結構的 A/D 轉換器相關暫存器

在 BH66F5233 中 ADC 設定涉及很多暫存器如圖，這些暫存器的具體介紹，詳見附件

BH66F5233 的 Datasheet。

BH66F5233 ADC 有關暫存器

7 6 5 4 3 2 1 0

PWRC LDOEN VCMEN — — — LDOBPS LDOVS1 LDOS0

PGAC0 — VGS1 VGS0 AGS1 AGS0 PGS2 PGS1 PGS0

PGAC1 VCMS INIS INX1 INX0 DCSET2 DCSET1 DCSET0 —

PGACS — — CHSN2 CHSN1 CHSN0 CHSP2 CHSP1 CHSP0

ADRL D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

ADRM D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8

ADRH D23 D22 D21 D20 D19 D18 D17 D16

ADCR0 ADRST ADSLP ADOFF ADOR2 ADOR1 ADOR0 — VREFS

ADCR1 FLMS2 FLMS1 FLMS0 VRBUFN VRBUFP ADCDL EOC —

ADCS — — — ADCK4 ADCK3 ADCK2 ADCK1 ADCK0

DSDAH D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4

DSDAL - - - - D3 D2 D1 D0

DSDACC DSDACEN DSDACVRS - - - - -

Register

Name

BITS


AN0437T V1.00 6/ 9 December 7, 2016

BH66F5233 Delta Sigma 結構的 A/D 轉換器設定步驟

步驟操作內容暫存器設定位元功能描述

1 選擇輸出電壓，開啟 LDO，

選擇 VCM 電壓

PWRC

PGAC1

LDOBPS、LDOVS1、LDOVS0、

LDOEN、VCMS 使能 LDO 輸出，VCM 輸出

2 選擇 ADC 參考電壓 ADCR0 VREFS 0：內部參考電壓

1：外部參考電壓

3 選擇 ADC 參考電壓增益、

ADC 增益、PGA 增益 PGAC0

VGS1、VGS0、AGS1、AGS0、

PGS2、PGS1、PGS0 需要根據真實情況選擇

4

選擇 ADC 參考電壓增益、

ADC 增益、PGA 增益

ADC 暫存器使能

PGAC0

ADCR1

VGS1、VGS0、AGS1、AGS0、

PGS2、PGS1、PGS0、VRBUFN、

VRBUFP

需要根據真實情況選擇

ADC 暫存器使能

5 ADC 的通道選擇 PGACS CHSN2、CHSN1、CHSN0、

CHSP2、CHSP1、CHSP0 設定模擬信號輸入埠

6 ADC 的轉換時鐘 ADCS ADCK4~ADCK0 設定 ADC 轉換時鐘

7 ADC 的輸出數據速率 ADCR0 ADOR2~ADOR0 設定輸出資料傳輸率一般為

10~100Hz

8 ADC 關閉暫停模式,休眠模式 ADCR0 ADOFF、ADSLP 關閉 ADC 的休眠模式，

ADC 開始工作

9 ADC 復位 ADCR0 ADRST 先設定為高，再設定為低，一個

新的 ADC 轉換過程開始了

10 ADC 中斷使能 INTC0 ADE、EMI 開始 ADC 中斷

硬體說明

PCB 設計時

1. 電源線盡量加寬，以減少環路阻抗，另外電源線，地線走向與信號線走向一致，有助於

提高抗干擾能力。

2. 地線設計：數字地和模擬地要分開，電路板上既有模擬電路和數字電路要盡量分開。

低頻電路的地，應該儘量採用單點並聯接地。

高頻電路的地，應該儘量多點串聯接地，地線應該短而粗。

接地線構成閉環路，在只有數字電路組成的印製板上，其接地電路布成閉環路大多有能

提供抗雜訊能力。

3. 電容擺放位置，電源處的電容要盡量靠近晶片。

在此，以 BH66F5233 應用電路為範例，將轉換得到的 ADC 數值顯示數碼管上。


AN0437T V1.00 7/ 9 December 7, 2016

BH66F5233 應用電路圖

軟體說明

S/W Flowchart

Start

System init

GET ADC Value

Display ADCValue

7.8msTime Count

Change LED Brightness

N

Update Display

Key Press ?

Y

Y N

1. 本範例中，程式運行後，會將採到的 ADC 值通過 LED 顯示出來。通過按鍵可以調節

LED 亮度。

2. 程式運行後，先初始化 RAM，設定好 ADC 採集中數碼管亮度為最暗。

3. 當按鍵按下時會將數碼管亮度改變，每按一次；亮度改變一次，每 4 次循環一次。

4. 數碼管顯示為 ADC 轉換結果。


AN0437T V1.00 8/ 9 December 7, 2016

結論

本範例通過 BH66F5233 介紹 Delta Sigma ADC 的原理、適用環境、性能如何評價，使用者可

以根據實際情況來設定 ADC 得到合適參數。

版本及修改資訊

Date 日期 Author 作者 Issue 發行、修訂說明

2016.11.07 林琛洋 First Version

參考資料

參考文件 BH66F5233 DataSheet。

如需進一步瞭解，敬請瀏覽 Holtek 官方網站 http://www.holtek.com。

參考附件

相關文件。

原理圖.rar

相關軟體附件。

BH66F5233_AD_Digital_LED.zip

http://www.holtek.com/


AN0437T V1.00 9/ 9 December 7, 2016

免責聲明

本網頁所載的所有資料、商標、圖片、連結及其他資料等（以下簡稱「資料」），只供參

考之用，盛群半導體股份有限公司（以下簡稱「本公司」）將會隨時更改資料，並由本公

司決定而不作另行通知。雖然本公司已盡力確保本網頁的資料準確性，但本公司並不保證

該等資料均為準確無誤。本公司不會對任何錯誤或遺漏承擔責任。

本公司不會對任何人士使用本網頁而引致任何損害（包括但不限於電腦病毒、系統固障、

資料損失）承擔任何賠償。本網頁可能會連結至其他機構所提供的網頁，但這些網頁並不

是由本公司所控制。本公司不對這些網頁所顯示的內容作出任何保證或承擔任何責任。

責任限制

在任何情況下，本公司並不須就任何人由於直接或間接進入或使用本網站，並就此內容上

或任何產品、資訊或服務，而招致的任何損失或損害負任何責任。

管轄法律

本免責聲明受中華民國法律約束，並接受中華民國法院的管轄。

免責聲明更新

本公司保留隨時更新本免責聲明的權利，任何更改於本網站發佈時，立即生效。

ht8 mcu 24-bit delta sigma a/d 應用範例 · 2016-12-22 · ht8 mcu 24-bit delta sigma...

Documents