引言

許多工業(yè)控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)都通過采用精細復雜的高次控制環(huán)路來保持某種關鍵參數(shù) (電氣、機械、熱力或液壓) 的精準調(diào)節(jié)。在這個技術發(fā)展日新月異的時代，控制系統(tǒng)設計人員在實現(xiàn)其設計目標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)轉換器 (ADC" title="ADC">ADC)。在諸如電網(wǎng)監(jiān)視器、光網(wǎng)絡開關和生產(chǎn)機器人系統(tǒng)等系統(tǒng)中，ADC 起著非常重要的作用，可將關鍵信號從模擬轉換為數(shù)字以進行數(shù)字信號處理。這種模數(shù)轉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)設計人員均依靠逐次逼近型寄存器 (SAR) ADC 來對其至關緊要的模擬信號進行準確的數(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“瞬間狀態(tài)”，并在單個時鐘周期之內(nèi)完成模數(shù)轉換。由于輸入在時域中的某個精確瞬間進行采樣并可在同一個時鐘周期之內(nèi)立即獲得結果，因此 SAR ADC 擅長于異步“啟動-運行”式操作 (start-and-go operation)。SAR ADC 能快速而準確地產(chǎn)生轉換結果，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換，因而導致它們較難在控制系統(tǒng)中使用。

由于許多應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)絡開關而言，通道密度就是一個關鍵的賣點。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)速度更快和響應性更好的控制系統(tǒng)，就需要采用具單觸發(fā)準確度的高分辨率、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
 

為了照顧那些負責評價和選擇 ADC 的系統(tǒng)設計人員，本文將討論幾個與其在控制系統(tǒng)中使用相關的重要 SAR ADC 性能指標，以減少在控制系統(tǒng)及其他苛刻應用中選擇最佳 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 來對輸入信號進行較為精細的數(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換操作。眾所周知，可以通過對多次轉換的結果進行求平均來降低 ADC 噪聲，這種做法的代價是有效轉換速率有所下降。低噪聲 ADC 不僅提供了準確度和分辨率，而且還實現(xiàn)了較高的運作速度，從而改善了控制系統(tǒng)的響應時間。設計人員必須在分辨率、速度、噪聲和功率要求之間進行權衡折衷，以實現(xiàn)系統(tǒng)的總體目標。

噪聲

系統(tǒng)設計人員可以通過兩種截然不同的規(guī)格指標來評價一個 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。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)

對于那些主要負責調(diào)節(jié)靜態(tài) DC 信號的系統(tǒng)，轉換噪聲是一項有啟發(fā)性的規(guī)格。當 ADC 輸入被保持在一個固定電平時，轉換噪聲是散布在 ADC 輸出端上的代碼的一個直接度量指標。轉換噪聲越低，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確的測量。圖2 示出了 LTC2380-16 的轉換噪聲特性，該器件是一款 16 位、2Msps SAR ADC。當轉換噪聲低于 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計的許多因素相互抵觸，因此設計人員常常需要在 ADC 噪聲、速度及功耗等指標之間進行權衡取舍。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)格中的標稱采樣速率，還應當了解保證的轉換時間。對于那些采用串行外設接口 (SPI) 總線將轉換結果傳輸至數(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。總周期時間由轉換時間和采集時間構成。通常，串行數(shù)據(jù)傳輸在采集時間窗口中進行。對于一個給定的周期時間，較短的轉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。當然，較短的轉換時間還最大限度地縮減從采樣時點至獲得數(shù)字結果的延遲，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，建議您嚴密關注轉換時間規(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)設計人員還必須為其產(chǎn)品保持很高的可靠性標準，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 是至關緊要。這些規(guī)格指標須在應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慎。倘若設計缺乏堅固性，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，將會給設計帶來不必要的風險。

高效率解決方案

降低功耗是許多新式設計的重要目標，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。

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。在驅動器放大器甚至所謂的軌至軌輸出放大器中，需要采用負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，具功耗意識的設計一般通過衰減輸入信號并僅使用全標度輸入信號范圍的一小部分來免除增設驅動器放大器負電源的需要。這種方法降低了對 ADC 驅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，該功能免除了驅動器放大器的負電源并保持了 ADC 的完整分辨率。當被啟用時，ADC 將執(zhí)行一種數(shù)字定標 (digital scaling) 功能——把零標度代碼從 0V 變換至 0.1*VREF，并把全標度代碼從 VREF 變換至 0.9*VREF。對于 5V 的典型基準電壓，全標度輸入范圍如今為 0.5V 至 4.5V，這為從單 6V 電源給驅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)生包括零標度和全標度在內(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。由于免除了驅動器放大器的負電源、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) 功能從單電源驅動器放大器實現(xiàn)了零標度和全標度代碼



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 真正雙極信號進行數(shù)字轉換

結論

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將造就以往無法實現(xiàn)的創(chuàng)新型系統(tǒng)設計。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)設計。