這篇文章主要介紹了為需要多路復(fù)用的高分辨率ADC功能的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)前所未有的成本和性能。本文討論了傳統(tǒng)的SAR方法，并介紹了新的高通量delta-sigma架構(gòu)，例如失真性能和動(dòng)態(tài)非線性性能。

 

ADC的基本要求始終圍繞分辨率，精度和帶寬。選擇ADC時(shí)必須考慮的其他重要考慮因素是信噪性能，失真和等待時(shí)間。許多應(yīng)用需要ADC的快速響應(yīng)能力，以便處理來自各種傳感器的高頻或連續(xù)讀數(shù)。在ADC內(nèi)有效多路復(fù)用多個(gè)信號(hào)的能力變得越來越重要。這是由于對(duì)在同一設(shè)備中處理多個(gè)模擬輸入的需求不斷增長，例如設(shè)計(jì)能夠在生產(chǎn)環(huán)境中同時(shí)監(jiān)視和集成來自多個(gè)傳感器的實(shí)時(shí)輸入的PLC。

 

當(dāng)然，在選擇任何組件時(shí)必須考慮的其他要求包括設(shè)備本身的成本以及確保其在整個(gè)設(shè)計(jì)中正常運(yùn)行所需的任何支持電路的成本。對(duì)于ADC而言，這可能是一個(gè)特別重要的問題，尤其是在高性能多路復(fù)用環(huán)境中使用時(shí)，這是因?yàn)樗璧闹С蛛娐房赡軙?huì)根據(jù)所選ADC的類型而有很大不同。例如，如果ADC架構(gòu)本身并不能提供出色的噪聲抑制和測(cè)量精度，則可能需要對(duì)電路進(jìn)行過度設(shè)計(jì)才能達(dá)到性能目標(biāo)。在這方面，由于板級(jí)空間，與設(shè)計(jì)輸入緩沖器相關(guān)的成本和功耗要求可能會(huì)迅速超過SAR本身的低功耗規(guī)格。所有這些因素在經(jīng)濟(jì)有效地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)中都起著至關(guān)重要的作用。

 

傳統(tǒng)的SAR方法

 

傳統(tǒng)上，上面提到的高性能應(yīng)用程序的類型是使用SAR體系結(jié)構(gòu)圍繞ADC設(shè)計(jì)的，該體系結(jié)構(gòu)在連續(xù)的時(shí)間點(diǎn)提供一系列數(shù)據(jù)的“快照”。SAR通常針對(duì)需要快速響應(yīng)和低延遲的應(yīng)用。但是，由于SAR設(shè)備對(duì)噪聲敏感并且具有相對(duì)較低的DNL性能，因此對(duì)大量支持電路的需求通常會(huì)提高基于SAR的設(shè)計(jì)的總體成本和復(fù)雜性。

 

相比之下，傳統(tǒng)上使用Delta-Sigma架構(gòu)的ADC能夠提供出色的DNL和噪聲性能，并允許復(fù)雜得多的支持電路。直到最近，Delta-Sigma ADC還沒有被認(rèn)為適合用于需要低延遲和高轉(zhuǎn)換率以實(shí)現(xiàn)寬信號(hào)帶寬的高性能應(yīng)用。但是，正如本文余下的測(cè)試數(shù)據(jù)所說明的那樣，這種“常規(guī)智慧”不再成立。

 

引入新的高通量Delta-Sigma架構(gòu)

 

隨著新的高吞吐量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器CS556x / 7x / 8x系列的推出，Cirrus Logic從根本上擴(kuò)展了系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以使用的選件范圍。整個(gè)產(chǎn)品系列由16位和24位ADC器件組成，基于先進(jìn)的高通量Delta Sigma架構(gòu)構(gòu)建，該架構(gòu)旨在以最高200 kSps的速率完全滿足每次轉(zhuǎn)換的要求。這提供了比SAR設(shè)備可比或更好的高響應(yīng)，低延遲性能，因此使新的高吞吐量Delta-Sigma設(shè)備成為傳統(tǒng)上需要SAR的應(yīng)用中經(jīng)濟(jì)高效的替代產(chǎn)品的理想選擇。

 

單周期延遲

 

過去，Delta-Sigma型ADC一直專注于對(duì)諸如溫度傳感器和磅秤稱重傳感器等緩慢變化的信號(hào)進(jìn)行最高分辨率的測(cè)量。由于噪聲抑制對(duì)于在嘈雜的數(shù)字環(huán)境中獲得測(cè)量精度至關(guān)重要，因此設(shè)計(jì)人員已經(jīng)習(xí)慣于看到長的“ sinc”型數(shù)字濾波器，這些濾波器具有出色的線頻率干擾抑制能力，例如50和60 Hz的線頻率及其諧波。這些濾波器易于實(shí)現(xiàn)，占用最小的管芯面積，并具有出色的噪聲性能。然而，這種濾波器趨向于相當(dāng)長（在傳送輸出字之前處理輸入信號(hào)所需的大量轉(zhuǎn)換周期），因此響應(yīng)于輸入變化很慢。例如，

Delta-Sigma ADC的CS556x / 7x / 8x ADC平面FIR濾波器SAR性能

 

另一個(gè)重要功能是按需轉(zhuǎn)換的能力（另一個(gè)SAR功能）。這種功能使這些設(shè)備非常適合進(jìn)行異步測(cè)量，這在生產(chǎn)環(huán)境中通常是必需的。這樣就可以協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換與特定事件的轉(zhuǎn)換，例如將流量與脈沖或其他傳感器輸入同步。此外，運(yùn)行雙極性電源時(shí)，可以使用真正的雙極性輸入。當(dāng)前的工業(yè)產(chǎn)品采用單電源供電（僅+5 V），并且需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)換器將雙極性信號(hào)向上移動(dòng)到地面以上，這會(huì)給系統(tǒng)誤差預(yù)算帶來額外的增益和失調(diào)誤差。

 

緩沖輸入具有許多優(yōu)勢(shì)

 

正如已經(jīng)討論過的，SAR型轉(zhuǎn)換器提出了許多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。在模擬信號(hào)輸入端，這種情況最明顯。在模擬信號(hào)輸入端，設(shè)計(jì)人員必須嚴(yán)格注意元件的選擇和電路布局，以便在面對(duì)多個(gè)噪聲源的情況下獲得為轉(zhuǎn)換器指定的測(cè)量精度。考慮到由于SAR架構(gòu)中使用的高速比較器以及設(shè)備內(nèi)部快速變化的數(shù)字電路，SAR轉(zhuǎn)換器本身可能會(huì)成為主要的噪聲發(fā)生器，所以即使對(duì)于最有經(jīng)驗(yàn)的人來說，這通常也不是一件容易的事，而且也是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師。

 

革命性設(shè)計(jì)-擁有悠久的卓越歷史

 

還需要注意的是，這種新的高通量Delta-Sigma器件系列來自一家供應(yīng)商，該供應(yīng)商以其在廣泛范圍內(nèi)開發(fā)高精度模擬和混合信號(hào)集成電路（IC）的專業(yè)知識(shí)而享譽(yù)全球。消費(fèi)和工業(yè)市場(chǎng)。Cirrus Logic廣泛的產(chǎn)品組合已經(jīng)包括用于消費(fèi)類，專業(yè)和汽車娛樂應(yīng)用的模擬和混合信號(hào)音頻IC，以及用于工業(yè)應(yīng)用的高精度模擬和混合信號(hào)IC，例如工業(yè)測(cè)量，分析儀器，消費(fèi)者公用事業(yè)，數(shù)字功率計(jì)和地震系統(tǒng)。

 

典型應(yīng)用場(chǎng)景

 

高分辨率和不受限制的信號(hào)帶寬的結(jié)合使設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)其特定的應(yīng)用要求對(duì)信號(hào)進(jìn)行噪聲處理和濾波。在適用的情況下，這甚至可以包括自適應(yīng)過濾，其中系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)修改其過濾器以適應(yīng)不斷變化的環(huán)境，從而提供以前無法用于高分辨率測(cè)量應(yīng)用程序的新功能。

 

受這項(xiàng)新技術(shù)影響最激動(dòng)人心的應(yīng)用領(lǐng)域之一是PLC和過程控制系統(tǒng)的嵌入式功能設(shè)計(jì)。近年來，工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境已越來越重視分散控制，它使用緊湊的多功能解決方案，這些解決方案可適應(yīng)處理各種實(shí)時(shí)傳感器輸入以及嵌入式智能和閉環(huán)響應(yīng)性，以實(shí)現(xiàn)本地決策循環(huán)。在太多情況下，不良的DNL性能，噪聲特性以及對(duì)額外支持電路的需求，限制了SAR用于實(shí)現(xiàn)下一代模塊化PLC的可用性。