高端工業(yè)翹首以盼，TI 32位精密ADC破繭成蝶

　　目前，很多工業(yè)類(lèi)廠(chǎng)商在做高端產(chǎn)品時(shí)顯得有點(diǎn)“巧婦難為無(wú)米之炊”，由于大部分性?xún)r(jià)比較高的全是24位Δ-Σ ADC，即使想提高精度也只能在不同廠(chǎng)商的24位Δ-Σ ADC中挑選，選一些溫漂較低的、有效位(ENOB)較高的、帶高精準的基準的，盡量向24位靠攏，但其實(shí)都離不開(kāi)24位的架構。更要命的問(wèn)題在于：一個(gè)24位ADC，真正精度達不到24位，尤其是利用累加原理實(shí)現的Δ-Σ ADC。我們來(lái)看一些典型案例。

　　PLC系統發(fā)展至今，其中的ADC位數從10位到20位不等，16位ADC是目前應用最多的，而24位ADC已經(jīng)是高位數了。一些PLC應用，如石油勘探，對溫度控制要求更高，要求在全溫度范圍內都有更高的分辨率，目前的24位ADC往往不夠用。

　　再如測量黃金、珠寶重量這類(lèi)高精度測量，即使有毫克之差，也會(huì )帶來(lái)經(jīng)濟損失，因此也需要超過(guò)24位的ADC。

　　工業(yè)現場(chǎng)用的各種采集板卡和系統需要在一個(gè)長(cháng)期的工作環(huán)境下采集數據，它要求兩種穩定性：溫度的穩定性、長(cháng)時(shí)間工作的穩定性。把這兩種穩定性要求落實(shí)到器件層面，就對芯片的溫漂提出了較高的要求，即低溫漂漂移的穩定性，這對ADC發(fā)展非常重要。

　　工業(yè)設備的小型化和集成化趨勢也給芯片帶來(lái)了同樣的挑戰，一顆ADC需要包含輸入輸出、基準、晶振，而在使用環(huán)境惡劣的工業(yè)現場(chǎng)，設備往往要求具備診斷功能。

　　“Duang”不出的成功

　　工業(yè)界的這些需求，都讓ADC廠(chǎng)商“壓力山大”，作為全球模擬器件的領(lǐng)導者，德州儀器(TI)挺身而出，最新推出的32位精密Δ-Σ ADC ADS1262和ADS1263解決了上述問(wèn)題，不但使自己破繭成蝶，也將幫助工業(yè)客戶(hù)突破技術(shù)瓶頸，爭奪工業(yè)4.0的大蛋糕。近日，TI模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理朱文斌先生專(zhuān)程來(lái)京，向記者詳述了新產(chǎn)品的技術(shù)優(yōu)勢。

　　“總體來(lái)看，24位ADC基本處于飽和狀態(tài)，需要在A(yíng)DC本身架構上、精度上有所突破。TI的新產(chǎn)品不是‘Duang’的一下出來(lái)，而是建立在A(yíng)DS1220、ADS1248等產(chǎn)品的基礎上，延續其優(yōu)勢，并順應客戶(hù)產(chǎn)品路線(xiàn)以及工業(yè)4.0對于實(shí)時(shí)性、高速、高精度以及小型化的要求。新產(chǎn)品能保證TI在工業(yè)4.0越走越遠，越做越好。”朱文斌先生介紹到。“ADS1262和ADS1263 ADC實(shí)現了更多的有效位、更高的系統可靠性和低偏移漂移。”

　　那么ADS1262和ADS1263內部到底有什么呢?一句話(huà)來(lái)說(shuō)就是“除了沒(méi)有MCU，其他都有”。例如32位Δ-Σ ADC、輔助 24 位增量-累計 ADC (ADS1263才有)、2.5 V低漂移內部基準、7.3728 MHz的內部時(shí)鐘、高阻抗可編程增益放大器 (PGA)、SINC + 50/60 Hz 數字濾波器、溫度傳感器、雙激勵電流源 (IDAC)、振蕩器、電平移位器、8個(gè)通用輸入/輸出 (GPIO) 引腳等，如圖1所示。

　　圖1 ADS1262和ADS1263內部架構

　　朱文斌先生談到了ADS1262和ADS1263的三大亮點(diǎn)以及對于高端工業(yè)應用帶來(lái)的好處。

　　高速下的最高有效位

　　ADS1262和ADS1263具有32位高分辨率和27位有效位(ENOB)，在2.5 SPS數據速率下達到最高位分辨率，即只有7 nVRMS 噪聲，能準確測量小信號，而對于輸入信號為10 mV 或者更小的電橋應用是必不可少的。更重要的是，ADS1262和ADS1263能支持在38 kSPS采樣率的情況下還能做到16位的精度，這是相當厲害的水準，實(shí)現速率和精度的完美平衡。這就可以使模擬采集板卡之類(lèi)的應用在精度和速度方面有了更高的性能。

　　舉個(gè)例子，TI在傳統的PLC/DCS的某個(gè)客戶(hù)要做新一代的PLC系統，他提出的要求是：除了高精度之外，還要高速，即高密度的PLC。所謂的高密度PLC就是單個(gè)ADC能采樣很多通道，除了精度的要求還有高速的要求;同時(shí)還需要采樣不同的輸入信號，比如0~10 V，±10位、熱電偶、熱電阻，ADS1262和ADS1263很好地滿(mǎn)足了這類(lèi)綜合性要求高的應用場(chǎng)景。

　　玩轉“漂移”

　　工業(yè)應用不是速度與激情，更需要的是穩定，它是非?？咕?ldquo;漂移”的。ADS1262和ADS1263的偏移漂移為1 nV/°C，增益漂移為0.5 ppm/°C，積分非線(xiàn)性 (INL)為3 ppm，不但實(shí)現了同類(lèi)產(chǎn)品中最佳的轉換精度，偏移誤差漂移也比同類(lèi)解決方案低 80%，從而確保了整個(gè)溫度范圍內的測量穩定性(–40°C~+125°C )。

　　“以數據采集卡為例，其在常溫上要做到千分之一或萬(wàn)分之五的精度不難，難就難在寬范圍溫度情況下都要做到這個(gè)精度。PLC的指標很多都是分溫度段的，例如–40℃~0℃，0~80℃，以及80℃~125℃，因為在這3個(gè)不同的分段ADC、參考基準、運放等芯片本身表現是不一樣。這其實(shí)也是困擾設計者的一個(gè)問(wèn)題：如何在寬范圍的溫度范圍內都保持一個(gè)很好的精度。而ADS1262和ADS1263 從芯片本身就幫助研發(fā)者解決了很多溫漂的問(wèn)題，包括內部高精度的基準、低增益漂移和偏移漂移。”朱文斌先生再次用案例強調新產(chǎn)品在溫漂上的優(yōu)勢。“回顧10年前、甚至5年前PLC的設計問(wèn)題，在考慮溫漂時(shí)可能要考慮外部基準溫漂、ADC溫漂、運放運轉，再把所有累加在一起，用硬件、軟件做校準，但效果卻不是很好。此外，很重要的一點(diǎn)，做溫漂的成本相當高。有了ADS1262和ADS1263以后，PLC客戶(hù)的難題迎刃而解。”

　　集成與診斷

　　ADS1262和ADS1263所集成的內部信號鏈監視、數據誤差檢測、傳感器過(guò)載檢測等特性以及一個(gè)測試數模轉換器 (DAC)，可為高可靠性系統提供必須的故障檢測和診斷。

　　朱文斌先生強調了所集成的電流DAC的優(yōu)勢：“電流DAC(IDAC)是工業(yè)線(xiàn)上經(jīng)常使用的熱電偶、RDD必須采用的電流源，很多PLC系統里進(jìn)行RTD測量時(shí)，如果IDAC還是用分立器件就需要外加電流源去做RDD測量，但這種效果不見(jiàn)得很好，搭雙路電流源的匹配性也不是很好。因此從集成度的角度來(lái)講，ADS1262和ADS1263基本已經(jīng)集成所有工業(yè)線(xiàn)上模擬信號輸入的采樣。”

　　ADS1262和ADS1263還集成了故障檢測和診斷功能。用戶(hù)能判斷PGA、ADC是否飽和。此外，它要具備傳感器的診斷功能，能判斷前面的溫度傳感器、RDD是斷路或短路，原因是里面集成了另外一路的電流源，它會(huì )發(fā)送一些比較小的電流到前端傳感器，從而判斷斷路或短路。

　　ADS1262和ADS1263還集成了一些標定的功能，里面有專(zhuān)門(mén)的DAC能產(chǎn)生一系列信號去標定這個(gè)鏈路是否正確或者芯片是否有問(wèn)題。朱文斌先生表示：“很多客戶(hù)在搭這類(lèi)系統時(shí)都會(huì )在外圍搭一堆標定電路，典型做法是會(huì )加一些1 V或3 V基準放在A(yíng)DC前面，系統搭好之后會(huì )啟動(dòng)這些標定電路，對整個(gè)系統信號進(jìn)行標定，或者每次系統斷電重啟之后進(jìn)行一定標定。這一是出于精度的要求;二是出于安全性的要求，因為軟件、硬件隨時(shí)可能發(fā)生問(wèn)題，軟件會(huì )不可避免地產(chǎn)生漏洞，這種標定電路板就顯得很重要了。ADS1262和ADS1263集成的一些標定電路讓工程師方便地標定整個(gè)信號鏈路。”

　　工業(yè)4.0從TI模擬開(kāi)始

　　針對工業(yè)應用的高精度和高集成度，ADS1262和ADS1263主要應用領(lǐng)域包括工業(yè)自動(dòng)化、PLC及DSC、測試與測量、溫度測量。

　　朱文斌先生對這四類(lèi)應用分別進(jìn)行了解釋?zhuān)?ldquo;工業(yè)自動(dòng)化或過(guò)程自動(dòng)化里面的一些自動(dòng)控制需要很多模擬數據信號采集、溫度采集、壓力采集等，根據客戶(hù)本身的產(chǎn)品不同，它的表現形式多樣。PLC是比較傳統的應用，也比較容易理解，DCS則是在PLC系統基礎上更進(jìn)階的大型控制系統，我們在發(fā)電廠(chǎng)、火電廠(chǎng)、核電廠(chǎng)、石油勘探工廠(chǎng)或現場(chǎng)都會(huì )看到這樣一些大型系統去監測每一個(gè)節點(diǎn)的溫度、壓力等等。很多工業(yè)類(lèi)應用是對測試與測量精度的要求是非常高，可能要到毫克這樣的精度，所以24位肯定是不夠的，32位就能很好地解決這樣的問(wèn)題。溫度測量其實(shí)工業(yè)自動(dòng)化有些是重疊的，但是還是有自身特點(diǎn)。溫度測量是ADS1262和ADS1263一個(gè)很重要的應用范疇，里面集成了雙電流源的DAC，可以做RTP的測量。”

　　ADS1262和ADS1263最大的區別是，ADS1263多了一個(gè)24位Δ-Σ ADC。這能用來(lái)做什么呢?朱文斌先生給出了答案：“做熱電偶測量時(shí)，其實(shí)需要兩個(gè)通道的ADC，一個(gè)通道測量熱電偶，另外一個(gè)通道做冷節點(diǎn)的參考，一般使用RTD做冷節點(diǎn)參考。目前，高精度的熱電偶方案會(huì )有兩顆24位ADC，一顆24位的ADC做熱電偶前端采集，另外一顆24位ADC做冷節點(diǎn)補償，這樣成本也很高。ADS1263就是把這顆24位ADC放在里面，單顆芯片就可以做熱電偶的測量。”

　　這就是為什么ADS1262和ADS1263基本上顆單芯片就能解決問(wèn)題的原因，也是TI一直致力于在做的，讓系統更集成化、小型化，順應工業(yè)4.0的要求。

　　全方位加速設計

　　開(kāi)發(fā)工具和參考設計是TI的強項。32位精密ADC作為T(mén)I重磅推出的產(chǎn)品，當然也有很好的設計支持。例如性能開(kāi)發(fā)套件，用于微軟視窗系統的ADCProTM評估軟件，可配置輸入、基準、電源和時(shí)鐘源。朱文斌先生簡(jiǎn)單介紹了ADCProTM：“在插上之后它上面能顯示有效位、噪聲、分分值，基本能把ADC綜合性能評估出來(lái)，用戶(hù)可以在上面看到這個(gè)有效位是否滿(mǎn)足輸入輸出的要求，因此ADCpro軟件是很實(shí)用的。”

　　TI還推出了針對采用交流電橋勵磁的高分辨率、低漂移、高精度稱(chēng)重天平的 TI Designs 參考設計 (TIPD188)。能提升電橋測量的偏移和偏移漂移性能，加快上市時(shí)間，包括電路原理圖、物料清單 (BOM)和設計文件。

　　此外還有基于Excel的器件配置計算器，可檢查PGA輸入范圍要求，計算循環(huán)冗余校驗 (CRC)/校驗和值，評估不同的SINC濾波器響應，查看寄存器映射。

　　朱文斌先生特別強調了輸入/輸出緩沖器信息規范 (IBIS) 模型：“為什么這里會(huì )出現IBIS模型，因為SPI數據輸入口速率很高，如果芯片和MCU有一定距離，會(huì )造成一些信號完整性的問(wèn)題，信號完整性是除了精度要求以外另一個(gè)比較重要的話(huà)題，特別是在于PC端上高速信號完整性，它會(huì )牽涉EMI這些問(wèn)題，特別是通信類(lèi)的高速PC板。TI有這樣的模型可以給用戶(hù)做驗證，從而可以知道布板、MCU距離怎么樣，布線(xiàn)怎么樣，SPI通信才能做到比較好的信號完整性，這對于模擬電路設計者來(lái)說(shuō)是非常有價(jià)值的。”

　　在工業(yè)4.0下，模擬芯片的挑戰主要體現在高精度、高速及小型化上，ADS1262和ADS1263作為T(mén)I布局高端工業(yè)的排頭兵，性能是“秒殺全場(chǎng)”的，你還猶豫什么呢?快去體驗吧!