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Jessie 超級版主
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小 發表於 2011-11-3 14:51 只看該作者
LTC2379-18 高效能資料轉換改善控制系統
作者群:
凌力爾特 設計經理Atsushi Kawamoto博士/
凌力爾特高級設計工程師Jesper Steensgaard博士 /
凌力爾特高級設計工程師Heemin Yang博士
許多工業控制系統都透過採用精細複雜的高階控制迴路來保持某種關鍵參數 (電氣、機械、熱力或液壓) 的精準調節。在這個技術發展日新月異的時代，控制系統設計人員在實現其設計目標的過程中，正面臨著前所未有的挑戰。系統必須比以往更快、更準確和更靈活，同時要把更多的功能整合到日趨縮小的外殼之中並消耗較少的功率。因此，人們需要那些不僅能夠提升現有設計的效能水準、而且還可實現新功能的新型解決方案。很多工業控制系統的核心是一個類比數位轉換器 (ADC)。在諸如電網監視器、光網路開關和生產機器人系統等系統中，ADC 扮演非常重要的作用，可將關鍵訊號從類比轉換為數位以進行數位訊號處理。這種類比數位轉換必須以更高解析度、高速和低功耗來完成。
改善您的控制系統
不少控制系統設計人員均依靠SAR ADC 來對其至關緊要的類比訊號進行準確的數位化處理。從根本上說，SAR ADC 的特點在於其能夠獲得輸入訊號時域中的精準“瞬間狀態”，並在單個時鐘週期之內完成類比數位轉換。由於輸入在時域中的某個精確瞬間進行採樣並可在同一個時脈週期之內立即獲得結果，因此 SAR ADC 擅長於非同步“啟動-運行”式操作 (start-and-go operation)。SAR ADC 能快速而準確地產生轉換結果，且即使在長久的閒置週期之後也沒有週期延遲 (所謂“單觸發”操作)，從而使其成為控制系統應用的理想選擇。其他類型的 ADC (比如ΔΣ ADC和序列型 ADC) 則需要多個時鐘週期來完成單次轉換，因而導致它們較難在控制系統中使用。
由於許多應用都要求多個控制迴路在某個給定的系統中同時運作，所以 ADC 的工作週期和功耗也是很重要的考慮因素。例如，對於新式光網路開關而言，通道密度就是一個關鍵的賣點。這些系統常常採用小的低功率 SAR ADC，用於監視和控制各個光通道的輸出功率級。因此，為了實現速度更快和回應性更好的控制系統，就需要採用具單觸發準確度的高解析度、高速和低功率 SAR ADC。
突破性的效能
凌力爾特最近推出了一個旨在解決上述重大難題的新型高效能 SAR ADC 系列。LTC2379-18 和 LTC2380-16 是一個接腳和軟體相容型 SAR ADC 系列中首批問市的產品，具有 101dB SNR (在 18 位) 和 96dB SNR (在 16 位元)，採樣速率為 250ksps 至 2Msps。這種效能是在保持低操作功耗的情況下實現的，功耗範圍為 3.75mW (在 250ksps) 至 19mW (在 2Msps)。每款元件均可提供小型 MSOP-16 封裝或 DFN-16 封裝。表 1 列出了新型 ADC 系列的概要資訊。
本文將討論幾個與其在控制系統中使用相關的重要 SAR ADC 效能指標，以減少在控制系統及其他苛刻應用中選擇最佳 ADC 時所涉及的不確定性。
控制系統要求
高解析度控制系統需要使用高解析度 ADC 來對輸入訊號進行較為精細的數位化處理，這是很自然的事。ADC 必須在儘量減少訊號鏈路雜訊的情況下完成轉換操作。眾所周知，可以透過對多次轉換的結果進行求平均來降低 ADC 雜訊，這種做法的代價是有效轉換速率有所下降。低雜訊 ADC 不僅提供了準確度和解析度，而且還實現了較高的運作速度，從而改善了控制系統的回應時間。設計人員必須在解析度、速度、雜訊和功率要求之間進行權衡，以實現系統的總體目標。
雜訊
系統設計人員可以透過兩種截然不同的規格指標來評價一個 SAR ADC 的雜訊效能。就那些對具有動態 AC 成分的訊號進行數位化處理的系統而言，信噪比 (SNR) 是一個具啟發作用的指標。SNR 越高，則 ADC 的基波訊號與雜訊層之間的動態範圍就越大。低雜訊 ADC 可為訊號處理鏈路提供較大的雜訊裕量，因而有助於放寬系統設計限制條件。圖 1 示出了 LTC2379-18 的 FFT 曲線圖，此元件是一款具有 101dB SNR 的 18 位元、1.6Msps SAR ADC。該高速 SAR ADC 的極低雜訊層在工業控制系統設計中提供了前所未有的彈性和易用性。
圖 1：LTC2379-18 的 FFT 曲線圖 (工作於 18 位解析度和 1.6Msps 採樣速率)
對於那些主要負責調節靜態 DC 訊號的系統，轉換雜訊是一項有啟發性的規格。當 ADC 輸入被保持在一個固定位準時，轉換雜訊是散佈在 ADC 輸出端上的代碼的一個直接度量指標。轉換雜訊越低，則 ADC 輸出越穩定，從而可在採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 的轉換雜訊特性，該元件是一款 16 位、2Msps SAR ADC。當轉換雜訊低於 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了真正的單觸發操作。
圖 2：LTC2380-16 的轉換雜訊曲線圖 (操作於 16 位解析度和 2Msps 採樣速率)
速度
由於影響電晶體級設計的許多因素相互抵觸，因此設計人員常常需要在 ADC 雜訊、速度及功耗等指標之間進行權衡取捨。相比於較高速度的 ADC，速度較低的 ADC 往往能夠保持較低的操作雜訊。在比較不同 SAR ADC 的相對速度時，有益的做法是：不僅要看產品規格中的標稱採樣速率，還應當瞭解保證的轉換時間。對於那些採用串列外設介面 (SPI) 匯流排將轉換結果傳輸至數位處理器的串列元件而言，尤其需要如此。串列 ADC 的標稱吞吐量可以增加，但代價是用戶不得不採用較高速度的數位介面。圖 3 示出了具串列介面的無延遲 SAR ADC 的典型時序圖。總週期時間由轉換時間和採集時間構成。通常，串列資料傳輸在採集時間視窗中進行。對於一個給定的週期時間，較短的轉換器時間可提供較長的串列資料傳輸視窗，從而降低所需的數位介面速度。當然，較短的轉換時間還最大限度地縮減從採樣時點至獲得數位結果的延遲，這是控制系統的一個重要的考慮因素。因此，在比較不同串列 ADC 的相對速度時，建議您密切關注轉換時間規格。
可靠性
除了效能規格之外，許多工業控制系統設計人員還必須為其產品保持很高的可靠性標準，因此要求所選擇的主要元件 (包括 ADC) 具有高可靠性。對於重視品質意識的應用，需要針對全部主要效能規格 (例如：INL、DNL、SNR 和 THD)，選擇具保證最少和最大規格限制值的ADC 是相當重要的。這些規格指標須在應用的整個工作溫度範圍內得到保證。如果上述主要參數僅在室溫條件下或窄小的溫度範圍內提到保證，那麼用戶就必需特別謹慎。倘若設計缺乏堅固性，則高解析度 SAR ADC 的內部單元式部件的指標就會隨溫度發生巨大的變化。假如所選的 ADC 未提供寬溫度範圍內的保證規格限值，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。除了低功耗所擁有的明顯優點之外，很多系統還受限於熱考慮以及將多餘熱量從狹窄外殼之內去除的能力。對於那些需要將幾十或幾百個通道整合到一塊高密度電路板 (PCB) 之中的系統來說，情況尤為如此。因此，在選擇 SAR ADC 時，功耗和整合密度是兩項重要的效能度量指標。
傳統的高解析度 SAR ADC 訊號鏈路經常需要由分離電源供電的 ADC 驅動器放大器。對於一個 0V 至 5V 的訊號擺幅，±6V 電源軌並不少見。在驅動器放大器甚至所謂的軌至軌輸出放大器中，需要採用負電源來保持上佳的失真效能，這是因為輸出電晶體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，而且其產生以及在整個 PCB 上的佈線十分麻煩。
面對這些限制條件，具功耗意識的設計一般透過衰減輸入訊號並僅使用全標度輸入訊號範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，由於只使用一小部分可用代碼和輸入訊號範圍，因此控制系統的有效解析度有所降低。
數位增益壓縮
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位增益壓縮 (DGC) 功能，該功能免除了驅動器放大器的負電源並保持了 ADC 的完整解析度。當被啟用時，ADC 將執行一種數位定標 (digital scaling) 功能——把零刻度代碼從 0V 變換至 0.1*VREF，並把全刻度代碼從 VREF 變換至 0.9*VREF。對於 5V 的典型參考電壓，全刻度輸入範圍如今為 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 產生包括零刻度和全刻度在內的所有代碼 (例如：對於一個 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 所示為一完整的訊號鏈路，借助 LTC2379-18 的 DGC 功能，該鏈路可採用單 6V 電源以 1.6Msps 採樣速率將一個工業 ±10V 真正雙極訊號數位化為一個 18 位代碼。此電路在 LTC2379-18 的演示系統中實現，並獲得了 99dB SNR 和超過 100dB THD。由於免除了驅動器放大器的負電源、並利用了 ADC 的完整範圍及解析度，因而提供了一款適合新式工業控制系統的獨特解決方案。
圖 3：數位增益壓縮 (DGC) 功能從單電源驅動器放大器實現了零標度和全標度代碼
結論
總之，高解析度、高速和低功率 SAR ADC 很適合解決新式工業控制系統的難題。此類元件近期在速度、雜訊和功耗方面所取得的改善，將造就以往無法實現的創新型系統設計。凌力爾特的 LTC2379-18 和 LTC2380-16 是一個腳位和軟體相容型 SAR ADC 系列中首批問市的產品，具有 101dB SNR (在 18 位) 和 96dB SNR (在 16 位元)，採樣速率為 250ksps 至 2Msps。其超低的雜訊和低功耗特性、再加上實現了單電源驅動器放大器運作的獨特數位增益壓縮 (DGC) 功能，使得這些新型 SAR ADC 元件非常適合要求最佳效能的高整合度控制系統設計。
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