控制系統借助高性能數據轉換取得進(jìn)步

引言
許多工業(yè)控制系統都通過(guò)采用精細復雜的高次控制環(huán)路來(lái)保持某種關(guān)鍵參數 (電氣、機械、熱力或液壓) 的精準調節。在這個(gè)技術(shù)發(fā)展日新月異的時(shí)代，控制系統設計人員在實(shí)現其設計目標的過(guò)程中正面臨著(zhù)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(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有設計的性能水平、而且還可實(shí)現新功能的新型解決方案。很多工業(yè)控制系統的核心是一個(gè)模數轉換器 (ADC)。在諸如電網(wǎng)監視器、光網(wǎng)絡(luò )開(kāi)關(guān)和生產(chǎn)機器人系統等系統中，ADC 起著(zhù)非常重要的作用，可將關(guān)鍵信號從模擬轉換為數字以進(jìn)行數字信號處理。這種模數轉換必須越來(lái)越多地以高分辨率、高速和低功耗來(lái)完成。

改善您的控制系統
不少控制系統設計人員均依靠逐次逼近型寄存器 (SAR) ADC 來(lái)對其至關(guān)緊要的模擬信號進(jìn)行準確的數字化處理。從根本上說(shuō)，SAR ADC 的特點(diǎn)在于其能夠獲得輸入信號時(shí)域中的精準“瞬間狀態(tài)”，并在單個(gè)時(shí)鐘周期之內完成模數轉換。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)鐘周期之內立即獲得結果，因此 SAR ADC 擅長(cháng)于異步“啟動(dòng)-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(cháng)久的空閑周期之后也沒(méi)有周期延遲 (所謂“單觸發(fā)”操作)，從而使其成為控制系統應用的理想選擇。其他類(lèi)型的 ADC (比如ΔΣ ADC和流水線(xiàn)型 ADC) 則需要多個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)完成單次轉換，因而導致它們較難在控制系統中使用。

由于許多應用都要求多個(gè)控制環(huán)路在某個(gè)給定的系統中同時(shí)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(kāi)關(guān)而言，通道密度就是一個(gè)關(guān)鍵的賣(mài)點(diǎn)。這些系統常常采用小的低功率 SAR ADC，用于監視和控制各個(gè)光通道的輸出功率級。因此，為了實(shí)現速度更快和響應性更好的控制系統，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(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(jià)和選擇 ADC 的系統設計人員，本文將討論幾個(gè)與其在控制系統中使用相關(guān)的重要 SAR ADC 性能指標，以減少在控制系統及其他苛刻應用中選擇最佳 ADC 時(shí)所涉及的不確定性。

控制系統要求
高分辨率控制系統需要使用高分辨率 ADC 來(lái)對輸入信號進(jìn)行較為精細的數字化處理，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(guò)對多次轉換的結果進(jìn)行求平均來(lái)降低 ADC 噪聲，這種做法的代價(jià)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(shí)現了較高的運作速度，從而改善了控制系統的響應時(shí)間。設計人員必須在分辨率、速度、噪聲和功率要求之間進(jìn)行權衡折衷，以實(shí)現系統的總體目標。

噪聲
系統設計人員可以通過(guò)兩種截然不同的規格指標來(lái)評價(jià)一個(gè) SAR ADC 的噪聲性能。就那些對具有動(dòng)態(tài) AC 成分的信號進(jìn)行數字化處理的系統而言，信噪比 (SNR) 是一個(gè)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(dòng)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設計限制條件。圖 1 示出了 LTC2379-18 的 FFT 曲線(xiàn)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(xiàn)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節靜態(tài) DC 信號的系統，轉換噪聲是一項有啟發(fā)性的規格。當 ADC 輸入被保持在一個(gè)固定電平時(shí)，轉換噪聲是散布在 ADC 輸出端上的代碼的一個(gè)直接度量指標。轉換噪聲越低，則 ADC 輸出越穩定，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(shí)，將無(wú)需使用求平均來(lái)降低 ADC 輸出中的不確定性，從而在高速條件下實(shí)現了真正的單觸發(fā)操作。

圖 2：LTC2380-16 的轉換噪聲曲線(xiàn)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(jìn)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(shí)，有益的做法是：不僅要看產(chǎn)品規格中的標稱(chēng)采樣速率，還應當了解保證的轉換時(shí)間。對于那些采用串行外設接口 (SPI) 總線(xiàn)將轉換結果傳輸至數字處理器的串行器件而言，尤其需要如此。串行 ADC 的標稱(chēng)吞吐量可以增加，但代價(jià)是用戶(hù)不得不采用較高速度的數字接口。圖 3 示出了具串行接口的無(wú)延遲 SAR ADC 的典型時(shí)序圖?？傊芷跁r(shí)間由轉換時(shí)間和采集時(shí)間構成。通常，串行數據傳輸在采集時(shí)間窗口中進(jìn)行。對于一個(gè)給定的周期時(shí)間，較短的轉換器時(shí)間可提供較長(cháng)的串行數據傳輸窗口，從而降低所需的數字接口速度。當然，較短的轉換時(shí)間還最大限度地縮減從采樣時(shí)點(diǎn)至獲得數字結果的延遲，這是控制系統的一個(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)，建議您嚴密關(guān)注轉換時(shí)間規格。

圖 3：18 位串行 SAR ADC 的典型時(shí)序圖

可靠性
除了性能規格之外，許多工業(yè)控制系統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 是至關(guān)緊要。這些規格指標須在應用的整個(gè)工作溫度范圍內得到保證。如果上述主要參數僅在室溫條件下或窄小的溫度范圍內提到保證，那么用戶(hù)就必需特別謹慎。倘若設計缺乏堅固性，則高分辨率 SAR ADC 的內部單元式部件的指標就會(huì )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的保證規格限值，將會(huì )給設計帶來(lái)不必要的風(fēng)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(yōu)點(diǎn)之外，很多系統還受限于熱考慮以及將多余熱量從狹窄外殼之內去除的能力。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) 之中的系統來(lái)說(shuō)，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重要的性能度量指標。

傳統的高分辨率 SAR ADC 信號鏈路經(jīng)常需要由分離電源供電的 ADC 驅動(dòng)器放大器。對于一個(gè) 0V 至 5V 的信號擺幅，±6V 電源軌并不少見(jiàn)。在驅動(dòng)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(lái)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(gè)最小電壓以維持高線(xiàn)性度。這個(gè)增加的負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(xiàn)十分麻煩。

面對這些限制條件，具功耗意識的設計一般通過(guò)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(lái)免除增設驅動(dòng)器放大器負電源的需要。這種方法降低了對 ADC 驅動(dòng)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，因此控制系統的有效分辨率有所降低。

數字增益壓縮
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字增益壓縮 (DGC) 功能，該功能免除了驅動(dòng)器放大器的負電源并保持了 ADC 的完整分辨率。當被啟用時(shí)，ADC 將執行一種數字定標 (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 V_REF 變換至 0.9*V_REF。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(dòng)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 驅動(dòng)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 真正雙極信號數字化為一個(gè) 18 位代碼。此電路在 LTC2379-18 的演示系統中實(shí)現，并獲得了 99dB SNR 和超過(guò) 100dB THD。由于免除了驅動(dòng)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)控制系統的獨特解決方案。

圖 4：數字增益壓縮 (DGC) 功能從單電源驅動(dòng)器放大器實(shí)現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 的數字增益壓縮 (DGC) 功能對一個(gè)工業(yè) ±10V 真正雙極信號進(jìn)行數字轉換

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)控制系統的難題。此類(lèi)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(wú)法實(shí)現的創(chuàng )新型系統設計。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 至 2Msps。其超低的噪聲和低功耗特性、再加上實(shí)現了單電源驅動(dòng)器放大器運作的獨特數字增益壓縮 (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設計。