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許多工業(yè)控制系統(tǒng)都通過采用精細(xì)復(fù)雜的高次控制環(huán)路來保持某種關(guān)鍵參數(shù) (電氣、機(jī)械、熱力或液壓) 的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。在這個(gè)技術(shù)發(fā)展日新月異的時(shí)代，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)目標(biāo)的過程中正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)必須比以往更快、更準(zhǔn)確和更靈活，同時(shí)要把更多的功能集成到日趨縮小的外殼之中并消耗較少的功率。因此，人們需要那些不僅能夠提升現(xiàn)有設(shè)計(jì)的性能水平、而且還可實(shí)現(xiàn)新功能的新型解決方案。很多工業(yè)控制系統(tǒng)的核心是一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。在諸如電網(wǎng)監(jiān)視器、光網(wǎng)絡(luò)開關(guān)和生產(chǎn)機(jī)器人系統(tǒng)等系統(tǒng)中，ADC起著非常重要的作用，可將關(guān)鍵信號從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字以進(jìn)行數(shù)字信號處理。這種模數(shù)轉(zhuǎn)換必須越來越多地以高分辨率、高速和低功耗來完成。
改善您的控制系統(tǒng)
不少控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員均依靠逐次逼近型寄存器(SAR) ADC來對其至關(guān)緊要的模擬信號進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)字化處理。從根本上說，SAR ADC的特點(diǎn)在于其能夠獲得輸入信號時(shí)域中的精準(zhǔn)“瞬間狀態(tài)”，并在單個(gè)時(shí)鐘周期之內(nèi)完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。由于輸入在時(shí)域中的某個(gè)精確瞬間進(jìn)行采樣并可在同一個(gè)時(shí)鐘周期之內(nèi)立即獲得結(jié)果，因此SAR ADC擅長于異步“啟動-運(yùn)行”式操作 (start-and-go operation)。SAR ADC能快速而準(zhǔn)確地產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)果，且即使在長久的空閑周期之后也沒有周期延遲 (所謂“單觸發(fā)”操作)，從而使其成為控制系統(tǒng)應(yīng)用的理想選擇。其他類型的ADC (比如ΔΣ ADC和流水線型ADC) 則需要多個(gè)時(shí)鐘周期來完成單次轉(zhuǎn)換，因而導(dǎo)致它們較難在控制系統(tǒng)中使用。
由于許多應(yīng)用都要求多個(gè)控制環(huán)路在某個(gè)給定的系統(tǒng)中同時(shí)運(yùn)作，所以ADC的占板面積和功率耗散也是很重要的考慮因素。例如，對于新式光網(wǎng)絡(luò)開關(guān)而言，通道密度就是一個(gè)關(guān)鍵的賣點(diǎn)。這些系統(tǒng)常常采用小的低功率SAR ADC，用于監(jiān)視和控制各個(gè)光通道的輸出功率級。因此，為了實(shí)現(xiàn)速度更快和響應(yīng)性更好的控制系統(tǒng)，就需要采用具單觸發(fā)準(zhǔn)確度的高分辨率、高速和低功率SAR ADC。
突破性的性能
凌力爾特公司近期推出了一個(gè)旨在解決上述重大難題的新型高性能SAR ADC系列。LTC2379-18和LTC2380-16是一個(gè)引腳和軟件兼容型SAR ADC系列中首批面市的產(chǎn)品，具有101dB SNR (在18位)和 96dB SNR (在16位)，采樣速率為250ksps至2Msps。這種性能是在保持低操作功耗的情況下實(shí)現(xiàn)的，功耗范圍為3.75mW (在250ksps)至19mW (在2Msps)。每款器件均可提供小型MSOP-16封裝或DFN-16封裝。表1列出了新型ADC系列的概要信息。
為了照顧那些負(fù)責(zé)評價(jià)和選擇ADC的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，本文將討論幾個(gè)與其在控制系統(tǒng)中使用相關(guān)的重要SAR ADC性能指標(biāo)，以減少在控制系統(tǒng)及其他苛刻應(yīng)用中選擇最佳ADC時(shí)所涉及的不確定性。
控制系統(tǒng)要求
高分辨率控制系統(tǒng)需要使用高分辨率ADC來對輸入信號進(jìn)行較為精細(xì)的數(shù)字化處理，這是很自然的事。ADC必須在盡量減少信號鏈路噪聲的情況下完成轉(zhuǎn)換操作。眾所周知，可以通過對多次轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行求平均來降低ADC噪聲，這種做法的代價(jià)是有效轉(zhuǎn)換速率有所下降。低噪聲ADC不僅提供了準(zhǔn)確度和分辨率，而且還實(shí)現(xiàn)了較高的運(yùn)作速度，從而改善了控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。設(shè)計(jì)人員必須在分辨率、速度、噪聲和功率要求之間進(jìn)行權(quán)衡折衷，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總體目標(biāo)。
噪聲
系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以通過兩種截然不同的規(guī)格指標(biāo)來評價(jià)一個(gè)SAR ADC的噪聲性能。就那些對具有動態(tài) AC成分的信號進(jìn)行數(shù)字化處理的系統(tǒng)而言，信噪比(SNR)是一個(gè)有啟迪作用的指標(biāo)。SNR越高，則ADC的基波信號與噪聲層之間的動態(tài)范圍就越大。低噪聲ADC可為信號處理鏈路提供較大的噪聲裕量，因而有助于放寬系統(tǒng)設(shè)計(jì)限制條件。圖1示出了LTC2379-18的FFT曲線圖，此器件是一款具有101dB SNR的18位、1.6Msps SAR ADC。該高速SAR ADC的極低噪聲層在工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提供了前所未有的靈活性和易用性。
對于那些主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)靜態(tài)DC信號的系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換噪聲是一項(xiàng)有啟發(fā)性的規(guī)格。當(dāng)ADC輸入被保持在一個(gè)固定電平時(shí)，轉(zhuǎn)換噪聲是散布在ADC輸出端上的代碼的一個(gè)直接度量指標(biāo)。轉(zhuǎn)換噪聲越低，則ADC輸出越穩(wěn)定，從而可在采用較少平均處理的情況下提供準(zhǔn)確的測量。圖2示出了LTC2380-16的轉(zhuǎn)換噪聲特性，該器件是一款16位、2Msps SAR ADC。當(dāng)轉(zhuǎn)換噪聲低于0.2LSB時(shí)，將無需使用求平均來降低ADC輸出中的不確定性，從而在高速條件下實(shí)現(xiàn)了真正的單觸發(fā)操作。
速度
由于影響晶體管級設(shè)計(jì)的許多因素相互抵觸，設(shè)計(jì)人員常常需要在ADC噪聲、速度及功耗等指標(biāo)之間進(jìn)行權(quán)衡取舍。相比于較高速度的ADC，速度較低的ADC往往能夠保持較低的操作噪聲。在比較不同SAR ADC的相對速度時(shí)，有益的做法是：不僅要看產(chǎn)品規(guī)格中的標(biāo)稱采樣速率，還應(yīng)當(dāng)了解保證的轉(zhuǎn)換時(shí)間。對于那些采用串行外設(shè)接口(SPI)總線將轉(zhuǎn)換結(jié)果傳輸至數(shù)字處理器的串行器件而言，尤其需要如此。串行ADC的標(biāo)稱吞吐量可以增加，但代價(jià)是用戶不得不采用較高速度的數(shù)字接口。圖3示出了具串行接口的無延遲SAR ADC的典型時(shí)序圖?？傊芷跁r(shí)間由轉(zhuǎn)換時(shí)間和采集時(shí)間構(gòu)成。通常，串行數(shù)據(jù)傳輸在采集時(shí)間窗口中進(jìn)行。對于一個(gè)給定的周期時(shí)間，較短的轉(zhuǎn)換器時(shí)間可提供較長的串行數(shù)據(jù)傳輸窗口，從而降低所需的數(shù)字接口速度。當(dāng)然，較短的轉(zhuǎn)換時(shí)間還最大限度地縮減從采樣時(shí)點(diǎn)至獲得數(shù)字結(jié)果的延遲，這是控制系統(tǒng)的一個(gè)重要的考慮因素。因此，在比較不同串行ADC的相對速度時(shí)，建議您嚴(yán)密關(guān)注轉(zhuǎn)換時(shí)間規(guī)格。
可靠性
除了性能規(guī)格之外，許多工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還必須為其產(chǎn)品保持很高的可靠性標(biāo)準(zhǔn)，因此要求所選擇的主要組件(包括ADC)具有高可靠性。對于重視質(zhì)量意識的應(yīng)用，需要針對全部主要性能規(guī)格 (例如：INL、DNL、SNR和THD)，選擇具保證最少和最大規(guī)格限制值的ADC是至關(guān)緊要。這些規(guī)格指標(biāo)須在應(yīng)用的整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)得到保證。如果上述主要參數(shù)僅在室溫條件下或窄小的溫度范圍內(nèi)提到保證，那么用戶就必需特別謹(jǐn)慎。倘若設(shè)計(jì)缺乏堅(jiān)固性，則高分辨率SAR ADC的內(nèi)部單元式部件的指標(biāo)就會隨溫度發(fā)生巨大的變化。假如所選的ADC未提供寬溫度范圍內(nèi)的保證規(guī)格限值，將會給設(shè)計(jì)帶來不必要的風(fēng)險(xiǎn)。
高效率解決方案
降低功耗是許多新式設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)，包括控制系統(tǒng)。除了低功耗所擁有的明顯優(yōu)點(diǎn)之外，很多系統(tǒng)還受限于熱考慮以及將多余熱量從狹窄外殼之內(nèi)去除的能力。對于那些需要將幾十或幾百個(gè)通道集成到一塊高密度電路板(PCB)之中的系統(tǒng)來說，情況尤為如此。因此，在選擇SAR ADC時(shí)功耗和集成密度是兩項(xiàng)重要的性能度量指標(biāo)。
傳統(tǒng)的高分辨率SAR ADC信號鏈路經(jīng)常需要由分離電源供電的ADC驅(qū)動器放大器。對于一個(gè)0V～5V的信號擺幅，±6V電源軌并不少見。在驅(qū)動器放大器甚至所謂的軌至軌輸出放大器中，需要采用負(fù)電源來保持上佳的失真性能，這是因?yàn)檩敵鼍w管必需在其兩端保持一個(gè)最小電壓以維持高線性度。這個(gè)增加的負(fù)電源軌不僅消耗功率，而且其產(chǎn)生以及在整個(gè)PCB上的布線十分麻煩。
面對這些限制條件，具功耗意識的設(shè)計(jì)一般通過衰減輸入信號并僅使用全標(biāo)度輸入信號范圍的一小部分來免除增設(shè)驅(qū)動器放大器負(fù)電源的需要。這種方法降低了對ADC驅(qū)動器放大器的輸出擺幅要求。然而，由于只使用一小部分可用代碼和輸入信號范圍，因此控制系統(tǒng)的有效分辨率有所降低。
數(shù)字增益壓縮
為了克服上述的基本限制，LTC2379-18和LTC2380-16系列配備了一種獨(dú)特的數(shù)字增益壓縮(DGC)功能，該功能免除了驅(qū)動器放大器的負(fù)電源并保持了ADC的完整分辨率。當(dāng)被啟用時(shí)，ADC將執(zhí)行一種數(shù)字定標(biāo)(digital scaling)功能——把零標(biāo)度代碼從0V變換至0.1*VREF，并把全標(biāo)度代碼從VREF變換至0.9*VREF。對于5V的典型基準(zhǔn)電壓，全標(biāo)度輸入范圍如今為0.5V～4.5V，這為從單6V電源給驅(qū)動放大器供電提供了足夠的儲備空間。如圖4所示，DGC功能允許ADC產(chǎn)生包括零標(biāo)度和全標(biāo)度在內(nèi)的所有代碼 (例如：對于一個(gè)18位ADC，共有218 = 262,144個(gè)代碼)，同時(shí)降低對ADC驅(qū)動器放大器的輸出擺幅要求。圖5示出了一個(gè)完整的信號鏈路，借助LTC2379-18的DGC功能，該鏈路可采用單6V電源以1.6Msps 采樣速率將一個(gè)工業(yè)±10V真正雙極信號數(shù)字化為一個(gè)18位代碼。此電路在LTC2379-18的演示系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，并獲得了99dB SNR和超過100dB THD。由于免除了驅(qū)動器放大器的負(fù)電源、并利用了ADC的完整范圍及分辨率，因而提供了一款適合新式工業(yè)控制系統(tǒng)的獨(dú)特解決方案。
結(jié)論
總之，高分辨率、高速和低功率SAR ADC很適合解決新式工業(yè)控制系統(tǒng)的難題。此類器件近期在速度、噪聲和功耗方面所取得的改進(jìn)將造就以往無法實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。凌力爾特公司的LTC2379-18和LTC2380-16是一個(gè)引腳和軟件兼容型SAR ADC系列中首批面市的產(chǎn)品，具有101dB SNR (在18位) 和96dB SNR (在16位)，采樣速率為250ksps～2Msps。其超低的噪聲和低功耗特性、再加上實(shí)現(xiàn)了單電源驅(qū)動器放大器運(yùn)作的獨(dú)特?cái)?shù)字增益壓縮(DGC) 功能，使得這些新型SAR ADC器件非常適合于那些要求最優(yōu)性能的高集成度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
作者介紹:
● Atsushi Kawamoto博士 (設(shè)計(jì)經(jīng)理)
● Jesper Steensgaard博士 (高級設(shè)計(jì)工程師)
● Heemin Yang博士 (高級設(shè)計(jì)工程師)
工商網(wǎng)監(jiān)
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