基于 SAR ADC 工業(yè)控制系統的系統的詳細分析與優(yōu)勢

當今工業(yè)控制系統的設計目標在要求系統更快、更準確和更小的同時，還希望實現更低的功耗及更高的可靠性。此類系統的設計人員必須選擇合適的組件以確保上述目標的實現。在工業(yè)控制系統中，核心組件之一就是模數轉換器 (ADC)。

SAR ADC 的優(yōu)勢

系統設計人員可以選擇的 ADC 有好幾種，包括流水線型、增量-累加 (ΔΣ) 型和 SAR (逐次逼近寄存器) 型架構。這里我們不去深究每種 ADC 的工作原理，而是只關注一下在選擇 ADC 時必須考慮的若干特性。流水線型 ADC 可提供非?？斓霓D換時間、能以極低的失真對非?？斓妮斎?a target="_blank">信號進行數字轉換，但需吸收高電源電流，且具有不良的信噪比 (SNR) 和流水線延遲 (輸入被采樣的時刻與可提供數據的時刻之間的固定樣本數量延遲)。SNR 欠佳的問題雖可利用求平均來克服，但這將以犧牲有效采樣速率為代價。流水線延遲會損害數據的實時性，讓控制環(huán)路的精細調諧變得困難。ΔΣ ADC 在要求高精度和低噪聲的應用中表現優(yōu)異，但其低采樣速率則限制了其在接近 DC 應用中的使用。SAR ADC 可提供從幾 MHz 到低至 DC 的轉換速率范圍，能夠處理從 DC 至數十 MHz 的輸入信號，并擁有上佳的 SNR 和低失真。SAR ADC 能以一種“按需”的方式進行采樣，隨后提供該數據 (沒有任何的流水線延遲)，并為控制系統提供適時反饋，從而實現一個具良好瞬態(tài)響應的嚴密控制環(huán)路。

先進的 SAR ADC

凌力爾特公司推出的 LTC2379-18 標志著 SAR 型模數轉換器的一項重大進步。LTC2379-18 是一款功耗僅 18mW 的 1.6Msps、18 位 SAR ADC，采用 16 引腳 MSOP 封裝和 4mm x 3mm DFN 封裝。LTC2379-18 使用一個 2.5V 工作電源，具有一個 ±2.5V 至 ±5.1V 的全差分輸入范圍 (由 VREF 設定)。憑借 < -115dB 的保證總諧波失真 (THD)、> 98dB 的信噪比、< 2LSB 的積分非線性 (INL)、無漏失碼 (在 18 位) 以及在高達 125?C 溫度下得到保證的工作性能，LTC2379-18 提供了當今控制系統所需要的速度、準確度、低功耗和可靠性。

速度較高的 ADC 可測量較小的時間增量

新式系統所需的精細控制使得測量較小時間增量的能力成為不可或缺。這種在實時環(huán)路中測量較小時間增量的能力受限于 ADC 的最大采樣速率。最大采樣速率與 ADC 轉換時間及采集時間之和呈逆相關。由于數據移出需要時間，因此通常都認為串行 ADC 的速度低于并行 ADC。就串行 ADC 而言，數據往往是在采集期間進行傳送。如果數據傳送時間少于采集時間，那么在轉換時間和采集時間相似的情況下，串行 ADC 的最大采樣頻率并不比并行 ADC 慢。LTC2379-18 具有 200ns 的最小采集時間，這與 180ns 的最小數據傳送時間近似相等，表明該器件專門針對最大采樣頻率進行了優(yōu)化。

重要的是更高的準確度 (而并非僅僅是“位數”)

同樣是對于更精細控制的需求還導致控制系統必需擁有更高的準確度。當從 16 位性能提升至 18 位性能時，重要是不能只把注意力放在“位數”上。不要被“以行銷為目的的位數”宣傳所蒙蔽。要確定 ADC 所擬訂的規(guī)格中包括“整個溫度范圍內的無漏失碼”。具有優(yōu)良 SNR 的 ADC 可在進行測量時提供更大的噪聲裕量，從而減低了對于求平均的要求。減少求平均可產生具較小延遲的控制環(huán)路，從而令控制環(huán)路的穩(wěn)定性有所提升。DC 應用要求上佳的 INL 和 DNL 規(guī)格，而 AC 應用則需要良好的 THD 性能指標。圖 1 中的 FFT 示出了 LTC2379-18 的典型性能，其中包括 101.2dB 的 SNR 及 -120dB 的 THD。
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圖 1：32k 點 FFT 顯示了 LTC2379-18 的低失真及低噪聲特性

小尺寸允許更多的通道

LTC2379-18 可兼容 SPI 標準，并能與 1.8V、2.5V、3.3V 和 5V 邏輯器件系列相連。圖 2 中所示的一種菊鏈模式允許多個 LTC2379-18 共用 SPI 和 BUSY 線路，這在具有大量轉換器的場合是有益處的，否則有可能使所需的信號數目不切實際。而且，當對來自幾個通道的數據進行同步 (這是保持通道間的相位信息所必需的) 時，鏈接模式也是有用的。假如數字主機能夠等待最大轉換時間之后再起動數據傳送，那么就可以免除 BUSY 線路，從而可把線路數目從 4 條進一步減少至 3 條。

圖 2：LTC2379-18 的 CHAIN 模式允許多個 ADC 與主處理器進行通信 (僅采用 4 根導線)

低功耗降低了成本、簡化了設計

由于控制系統變得越來越復雜、通道數目日益增多、而與此同時可用空間卻在不斷縮小，因此降低系統功率需求變得更加重要。除了削減運作成本之外，降低功率要求還可簡化熱管理。選擇那些具內置電源管理功能的組件可使功耗的降低變得容易。比如：LTC2379-18 在一次轉換操作之后會自動斷電，因而在低采樣速率下可實現更低的功耗。

單電源 ADC 常常具有一個從地電位至 VREF 的模擬輸入范圍。由于驅動器峰值空間要求的緣故，這意味著負責驅動 ADC 的驅動器需要一個至少比 Vref 高幾百 mV 的電源電壓和一個比地電位低幾百 mV 的負電源。即使采用軌至軌驅動器情況也是如此，因為失真會隨著輸出接近正電源或負電源而增加。迄今為止，這意味著要么為保持低失真而采用單工作電源 (白白浪費靠近地和 V+ 的幾千個代碼)，要么采用分離型工作電源而付出功耗增加的代價。

LTC2379-18 提供了一種數字增益壓縮功能，該功能可在采用一個介于 ±VREF 模擬輸入電壓的 10% 至 90% 之間的輸入時實現一個零標度至全標度的 ADC 輸出擺幅。對于一個 5V 基準，這意味著模擬輸入范圍為 0.5V 至 4.5V，同時仍然保持了所有 262,144 個輸出代碼，如圖 3 所示。壓縮模擬輸入范圍可為 ADC 驅動器提供更多高于地電位和低于正電源電壓的空間。此項功能使得 LTC2379-18 緩沖器能夠用單個電源來供電，從而實現了顯著的節(jié)能。
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圖 3：LTC2379-18 數字增益壓縮功能縮減了模擬輸入范圍，同時保持了完整的數字輸出范圍，從而實現單電源驅動器運作。

可靠性使產品合乎需要

可靠性是控制系統設計中最重要的目標之一。客戶希望購買可靠的產品。增加噪聲裕量、提供更準確的讀數、減少信號線和電源的數目、較低的功耗及上佳的熱管理均可提升系統的可靠性。選擇高質量的組件 (包括 ADC) 也是同樣重要的一環(huán)。應謹慎地確保諸如 INL、DNL、SNR 和 THD 等所有關鍵的 ADC 性能指標 (而不僅僅是典型規(guī)格) 均得到全面的保證。同樣重要的是：規(guī)格指標應在系統必須運作的整個溫度范圍內予以保證。

單電源實例顯現了 LTC2379-18 的優(yōu)勢

LT6350 可用于對大的真正雙極信號 (其擺幅從低于地電位至 LTC2379-18 的 ±4V 差分輸入范圍) 進行緩沖和轉換，并啟用了數字增益壓縮功能，旨在最大限度地擴展可進行數字轉換的信號擺幅。如圖 4 所示，LT6350 被用于轉換一個 ±10V 的真正雙極信號，以供 LTC2379-18 使用。在這種場合，LT6350 中的第一個放大器被配置為一個反相放大器級，其作用是對輸入信號進行衰減并將其電平移位至 LTC2379-18 的 0.5V 至 4.5V 輸入范圍。在反相放大器配置中，輸入阻抗由電阻器 RIN 設定。RIN 必須根據信號源的源阻抗謹慎地選擇。當 LT6350 和 LTC2379-18 作為一個系統時，較高的 RIN 值往往會使其噪聲和失真指標均有所下降。較低的 RIN 值則有可能讓信號源難以驅動。LT6350 中第一個放大器輸入端上的電阻器應仔細選擇，以實現期望的衰減、共模輸出電壓并保持一個平衡的輸入阻抗。圖 4 中的電路具有一個 99dB 的 SNR 和一個 -95dB 的 THD。

圖 4：LTC2379-18 和 LT6350 可接受一個 ±10V 的輸入信號并采用單 6V 工作電源

概要

工業(yè)控制系統需要在時間和幅度兩方面均進行較為精細的控制。此類系統的設計人員需要大量的通道，但必須了解空間和功率的限制條件以及對可靠性的需求。憑借高轉換速率、上佳的 SNR、THD 和 INL 特性、及其“按需采樣”的能力，SAR ADC 能幫助系統設計人員實現其目標。凌力爾特推出的 LTC2379-18、18 位 SAR ADC 具有 1.6Msps 轉換速率、有保證的 98dB SNR、18mW功耗、允許多個 ADC 共用三條線路的鏈接模式、以及使其能夠采用單電源放大器來驅動的獨特數字增益壓縮模式，因而對于高準確度系統的設計師而言是一種上佳的選擇。

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