引言

許多工業(yè)控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">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、機械、熱力或液壓) 的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。在這個技術(shù)發(fā)展日新月異的時代，控制系統(tǒng)設(shè)計人員在實現(xiàn)其設(shè)計目標(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)計的性能水平、而且還可實現(xiàn)新功能的新型解決方案。很多工業(yè)控制系統(tǒng)的核心是一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC" title="ADC">ADC)。在諸如電網(wǎng)監(jiān)視器、光網(wǎng)絡(luò)開關(guān)和生產(chǎn)機器人系統(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 的特點在于其能夠獲得輸入信號時域中的精準(zhǔn)“瞬間狀態(tài)”，并在單個時鐘周期之內(nèi)完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。由于輸入在時域中的某個精確瞬間進(jìn)行采樣并可在同一個時鐘周期之內(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) 則需要多個時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)用都要求多個控制環(huán)路在某個給定的系統(tǒng)中同時運作，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，通道密度就是一個關(guān)鍵的賣點。這些系統(tǒng)常常采用小的低功率 SAR ADC，用于監(jiān)視和控制各個光通道的輸出功率級。因此，為了實現(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。

表 1：凌力爾特的 SAR ADC 系列
 

為了照顧那些負(fù)責(zé)評價和選擇 ADC 的系統(tǒng)設(shè)計人員，本文將討論幾個與其在控制系統(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，而且還實現(xiàn)了較高的運作速度，從而改善了控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間。設(shè)計人員必須在分辨率、速度、噪聲和功率要求之間進(jìn)行權(quán)衡折衷，以實現(xiàn)系統(tǒng)的總體目標(biāo)。

噪聲

系統(tǒng)設(shè)計人員可以通過兩種截然不同的規(guī)格指標(biāo)來評價一個 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)計中提供了前所未有的靈活性和易用性。



圖 1：LTC2379-18 的 FFT 曲線圖 (工作于 18 位分辨率和 1.6Msps 采樣速率)

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)換噪聲是一項有啟發(fā)性的規(guī)格。當(dāng) ADC 輸入被保持在一個固定電平時，轉(zhuǎn)換噪聲是散布在 ADC 輸出端上的代碼的一個直接度量指標(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，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現(xiàn)了真正的單觸發(fā)操作。

　　 
圖 2：LTC2380-16 的轉(zhuǎn)換噪聲曲線圖 (工作于 16 位分辨率和 2Msps 采樣速率)

速度

由于影響晶體管級設(shè)計的許多因素相互抵觸，因此設(shè)計人員常常需要在 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，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 的典型時序圖。總周期時間由轉(zhuǎn)換時間和采集時間構(gòu)成。通常，串行數(shù)據(jù)傳輸在采集時間窗口中進(jìn)行。對于一個給定的周期時間，較短的轉(zhuǎn)換器時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)換時間還最大限度地縮減從采樣時點至獲得數(shù)字結(jié)果的延遲，這是控制系統(tǒng)的一個重要的考慮因素。因此，在比較不同串行 ADC 的相對速度時，建議您嚴(yán)密關(guān)注轉(zhuǎn)換時間規(guī)格。



圖 3：18 位串行 SAR ADC 的典型時序圖

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)計缺乏堅固性，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)計帶來不必要的風(fēng)險。

高效率解決方案

降低功耗是許多新式設(shè)計的重要目標(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 時功耗和集成密度是兩項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 0V 至 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，這是因為輸出晶體管必需在其兩端保持一個最小電壓以維持高線性度。這個增加的負(fù)電源軌不僅消耗功率，而且其產(chǎn)生以及在整個 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，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 至 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 18 位 ADC，共有218 = 262,144 個代碼)，同時降低對 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 采樣速率將一個工業(yè) ±10V 真正雙極信號數(shù)字化為一個 18 位代碼。此電路在 LTC2379-18 的演示系統(tǒng)中實現(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)的獨特解決方案。

 

圖 4：數(shù)字增益壓縮 (DGC) 功能從單電源驅(qū)動器放大器實現(xiàn)了零標(biāo)度和全標(biāo)度代碼



圖 5：完整的單 6V 電源信號鏈路采用 LTC2379-18 的數(shù)字增益壓縮 (DGC) 功能對一個工業(yè) ±10V 真正雙極信號進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換

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)將造就以往無法實現(xiàn)的創(chuàng)新型系統(tǒng)設(shè)計。凌力爾特公司的 LTC2379-18 和 LTC2380-16 是一個引腳和軟件兼容型 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。其超低的噪聲和低功耗特性、再加上實現(xiàn)了單電源驅(qū)動器放大器運作的獨特數(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。