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時必須考慮的其他重要考慮因素是信噪性能，失真和等待時間。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)用多個信號的能力變得越來越重要。這是由于對在同一設(shè)備中處理多個模擬輸入的需求不斷增長，例如設(shè)計能夠在生產(chǎn)環(huán)境中同時監(jiān)視和集成來自多個傳感器的實(shí)時輸入的PLC。

 

當(dāng)然，在選擇任何組件時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設(shè)計中正常運(yùn)行所需的任何支持電路的成本。對于ADC而言，這可能是一個特別重要的問題，尤其是在高性能多路復(fù)用環(huán)境中使用時，這是因?yàn)樗璧闹С蛛娐房赡軙鶕?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量精度，則可能需要對電路進(jìn)行過度設(shè)計才能達(dá)到性能目標(biāo)。在這方面，由于板級空間，與設(shè)計輸入緩沖器相關(guān)的成本和功耗要求可能會迅速超過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)計的，該體系結(jié)構(gòu)在連續(xù)的時間點(diǎn)提供一系列數(shù)據(jù)的“快照”。SAR通常針對需要快速響應(yīng)和低延遲的應(yīng)用。但是，由于SAR設(shè)備對噪聲敏感并且具有相對較低的DNL性能，因此對大量支持電路的需求通常會提高基于SAR的設(shè)計的總體成本和復(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)寬信號帶寬的高性能應(yīng)用。但是，正如本文余下的測試數(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)計人員可以使用的選件范圍。整個產(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一直專注于對諸如溫度傳感器和磅秤稱重傳感器等緩慢變化的信號進(jìn)行最高分辨率的測量。由于噪聲抑制對于在嘈雜的數(shù)字環(huán)境中獲得測量精度至關(guān)重要，因此設(shè)計人員已經(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

 

另一個重要功能是按需轉(zhuǎn)換的能力（另一個SAR功能）。這種功能使這些設(shè)備非常適合進(jìn)行異步測量，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，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），并且需要一個電平轉(zhuǎn)換器將雙極性信號向上移動到地面以上，這會給系統(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

 

正如已經(jīng)討論過的，SAR型轉(zhuǎn)換器提出了許多設(shè)計挑戰(zhàn)。在模擬信號輸入端，這種情況最明顯。在模擬信號輸入端，設(shè)計人員必須嚴(yán)格注意元件的選擇和電路布局，以便在面對多個噪聲源的情況下獲得為轉(zhuǎn)換器指定的測量精度。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)換器本身可能會成為主要的噪聲發(fā)生器，所以即使對于最有經(jīng)驗(yàn)的人來說，這通常也不是一件容易的事，而且也是一項艱巨的任務(wù)系統(tǒng)設(shè)計師。

 

革命性設(shè)計-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集成電路（IC）的專業(yè)知識而享譽(yù)全球。消費(fèi)和工業(yè)市場。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音頻IC，以及用于工業(yè)應(yīng)用的高精度模擬和混合信號IC，例如工業(yè)測量，分析儀器，消費(fèi)者公用事業(yè)，數(shù)字功率計和地震系統(tǒng)。

 

典型應(yīng)用場景

 

高分辨率和不受限制的信號帶寬的結(jié)合使設(shè)計人員能夠根據(jù)其特定的應(yīng)用要求對信號進(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量應(yīng)用程序的新功能。

 

受這項新技術(shù)影響最激動人心的應(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。近年來，工業(yè)自動化環(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。