控制系統(tǒng)借助高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換取得進(jìn)步

引言
許多工業(yè)控制系統(tǒng)都通過(guò)采用精細(xì)復(fù)雜的高次控制環(huán)路來(lái)保持某種關(guān)鍵參數(shù) (電氣、機(jī)械、熱力或液壓) 的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。在這個(gè)技術(shù)發(fā)展日新月異的時(shí)代，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)目標(biāo)的過(guò)程中正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)必須比以往更快、更準(zhǔn)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(xiàn)有設(shè)計(jì)的性能水平、而且還可實(shí)現(xiàn)新功能的新型解決方案。很多工業(yè)控制系統(tǒng)的核心是一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。在諸如電網(wǎng)監(jiān)視器、光網(wǎng)絡(luò)開(kāi)關(guān)和生產(chǎn)機(jī)器人系統(tǒng)等系統(tǒng)中，ADC 起著非常重要的作用，可將關(guān)鍵信號(hào)從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字以進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。這種模數(shù)轉(zhuǎn)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(tǒng)
不少控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員均依靠逐次逼近型寄存器 (SAR) ADC 來(lái)對(duì)其至關(guān)緊要的模擬信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)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(hào)時(shí)域中的精準(zhǔn)“瞬間狀態(tài)”，并在單個(gè)時(shí)鐘周期之內(nèi)完成模數(shù)轉(zhuǎn)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(nèi)立即獲得結(jié)果，因此 SAR ADC 擅長(zhǎng)于異步“啟動(dòng)-運(yùn)行”式操作 (start-and-go operation)。SAR ADC 能快速而準(zhǔn)確地產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)果，且即使在長(zhǎng)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(tǒng)應(yīng)用的理想選擇。其他類型的 ADC (比如ΔΣ ADC和流水線型 ADC) 則需要多個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)完成單次轉(zhuǎn)換，因而導(dǎo)致它們較難在控制系統(tǒng)中使用。

由于許多應(yīng)用都要求多個(gè)控制環(huán)路在某個(gè)給定的系統(tǒng)中同時(shí)運(yùn)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(duì)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)鍵的賣點(diǎn)。這些系統(tǒng)常常采用小的低功率 SAR ADC，用于監(jiān)視和控制各個(gè)光通道的輸出功率級(jí)。因此，為了實(shí)現(xiàn)速度更快和響應(yīng)性更好的控制系統(tǒng)，就需要采用具單觸發(fā)準(zhǔn)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(xiàn)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(fù)責(zé)評(píng)價(jià)和選擇 ADC 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，本文將討論幾個(gè)與其在控制系統(tǒng)中使用相關(guān)的重要 SAR ADC 性能指標(biāo)，以減少在控制系統(tǒng)及其他苛刻應(yīng)用中選擇最佳 ADC 時(shí)所涉及的不確定性。

控制系統(tǒng)要求
高分辨率控制系統(tǒng)需要使用高分辨率 ADC 來(lái)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行較為精細(xì)的數(shù)字化處理，這是很自然的事。ADC 必須在盡量減少信號(hào)鏈路噪聲的情況下完成轉(zhuǎn)換操作。眾所周知，可以通過(guò)對(duì)多次轉(zhuǎn)換的結(jié)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(zhuǎn)換速率有所下降。低噪聲 ADC 不僅提供了準(zhǔn)確度和分辨率，而且還實(shí)現(xiàn)了較高的運(yùn)作速度，從而改善了控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。設(shè)計(jì)人員必須在分辨率、速度、噪聲和功率要求之間進(jìn)行權(quán)衡折衷，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總體目標(biāo)。

噪聲
系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)兩種截然不同的規(guī)格指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)一個(gè) SAR ADC 的噪聲性能。就那些對(duì)具有動(dòng)態(tài) AC 成分的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理的系統(tǒng)而言，信噪比 (SNR) 是一個(gè)有啟迪作用的指標(biāo)。SNR 越高，則 ADC 的基波信號(hào)與噪聲層之間的動(dòng)態(tài)范圍就越大。低噪聲 ADC 可為信號(hào)處理鏈路提供較大的噪聲裕量，因而有助于放寬系統(tǒng)設(shè)計(jì)限制條件。圖 1 示出了 LTC2379-18 的 FFT 曲線圖，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(tǒng)設(shè)計(jì)中提供了前所未有的靈活性和易用性。

圖 1：LTC2379-18 的 FFT 曲線圖 (工作于 18 位分辨率和 1.6Msps 采樣速率)

對(duì)于那些主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)靜態(tài) DC 信號(hào)的系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換噪聲是一項(xiàng)有啟發(fā)性的規(guī)格。當(dāng) ADC 輸入被保持在一個(gè)固定電平時(shí)，轉(zhuǎn)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(biāo)。轉(zhuǎn)換噪聲越低，則 ADC 輸出越穩(wěn)定，從而可在采用較少平均處理的情況下提供準(zhǔn)確的測(cè)量。圖 2 示出了 LTC2380-16 的轉(zhuǎn)換噪聲特性，該器件是一款 16 位、2Msps SAR ADC。當(dāng)轉(zhuǎn)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(xiàn)了真正的單觸發(fā)操作。

圖 2：LTC2380-16 的轉(zhuǎn)換噪聲曲線圖 (工作于 16 位分辨率和 2Msps 采樣速率)

速度
由于影響晶體管級(jí)設(shè)計(jì)的許多因素相互抵觸，因此設(shè)計(jì)人員常常需要在 ADC 噪聲、速度及功耗等指標(biāo)之間進(jìn)行權(quán)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(duì)速度時(shí)，有益的做法是：不僅要看產(chǎn)品規(guī)格中的標(biāo)稱采樣速率，還應(yīng)當(dāng)了解保證的轉(zhuǎn)換時(shí)間。對(duì)于那些采用串行外設(shè)接口 (SPI) 總線將轉(zhuǎn)換結(jié)果傳輸至數(shù)字處理器的串行器件而言，尤其需要如此。串行 ADC 的標(biāo)稱吞吐量可以增加，但代價(jià)是用戶不得不采用較高速度的數(shù)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。總周期時(shí)間由轉(zhuǎn)換時(shí)間和采集時(shí)間構(gòu)成。通常，串行數(shù)據(jù)傳輸在采集時(shí)間窗口中進(jìn)行。對(duì)于一個(gè)給定的周期時(shí)間，較短的轉(zhuǎn)換器時(shí)間可提供較長(zhǎng)的串行數(shù)據(jù)傳輸窗口，從而降低所需的數(shù)字接口速度。當(dāng)然，較短的轉(zhuǎn)換時(shí)間還最大限度地縮減從采樣時(shí)點(diǎn)至獲得數(shù)字結(jié)果的延遲，這是控制系統(tǒng)的一個(gè)重要的考慮因素。因此，在比較不同串行 ADC 的相對(duì)速度時(shí)，建議您嚴(yán)密關(guān)注轉(zhuǎn)換時(shí)間規(guī)格。

圖 3：18 位串行 SAR ADC 的典型時(shí)序圖

可靠性
除了性能規(guī)格之外，許多工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還必須為其產(chǎn)品保持很高的可靠性標(biāo)準(zhǔn)，因此要求所選擇的主要組件 (包括 ADC) 具有高可靠性。對(duì)于重視質(zhì)量意識(shí)的應(yīng)用，需要針對(duì)全部主要性能規(guī)格 (例如：INL、DNL、SNR 和 THD)，選擇具保證最少和最大規(guī)格限制值的ADC 是至關(guān)緊要。這些規(guī)格指標(biāo)須在應(yīng)用的整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)得到保證。如果上述主要參數(shù)僅在室溫條件下或窄小的溫度范圍內(nèi)提到保證，那么用戶就必需特別謹(jǐn)慎。倘若設(shè)計(jì)缺乏堅(jiān)固性，則高分辨率 SAR ADC 的內(nèi)部單元式部件的指標(biāo)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(nèi)的保證規(guī)格限值，將會(huì)給設(shè)計(jì)帶來(lái)不必要的風(fēng)險(xiǎn)。

高效率解決方案
降低功耗是許多新式設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)，包括控制系統(tǒng)。除了低功耗所擁有的明顯優(yōu)點(diǎn)之外，很多系統(tǒng)還受限于熱考慮以及將多余熱量從狹窄外殼之內(nèi)去除的能力。對(duì)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(tǒng)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(xiàng)重要的性能度量指標(biāo)。

傳統(tǒng)的高分辨率 SAR ADC 信號(hào)鏈路經(jīng)常需要由分離電源供電的 ADC 驅(qū)動(dòng)器放大器。對(duì)于一個(gè) 0V 至 5V 的信號(hào)擺幅，±6V 電源軌并不少見(jiàn)。在驅(qū)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(fù)電源來(lái)保持上佳的失真性能，這是因?yàn)檩敵鼍w管必需在其兩端保持一個(gè)最小電壓以維持高線性度。這個(gè)增加的負(fù)電源軌不僅消耗功率，而且其產(chǎn)生以及在整個(gè) PCB 上的布線十分麻煩。

面對(duì)這些限制條件，具功耗意識(shí)的設(shè)計(jì)一般通過(guò)衰減輸入信號(hào)并僅使用全標(biāo)度輸入信號(hào)范圍的一小部分來(lái)免除增設(shè)驅(qū)動(dòng)器放大器負(fù)電源的需要。這種方法降低了對(duì) ADC 驅(qū)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(hào)范圍，因此控制系統(tǒng)的有效分辨率有所降低。

數(shù)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(dú)特的數(shù)字增益壓縮 (DGC) 功能，該功能免除了驅(qū)動(dòng)器放大器的負(fù)電源并保持了 ADC 的完整分辨率。當(dāng)被啟用時(shí)，ADC 將執(zhí)行一種數(shù)字定標(biāo) (digital scaling) 功能——把零標(biāo)度代碼從 0V 變換至 0.1*VREF，并把全標(biāo)度代碼從 V_REF 變換至 0.9*V_REF。對(duì)于 5V 的典型基準(zhǔn)電壓，全標(biāo)度輸入范圍如今為 0.5V 至 4.5V，這為從單 6V 電源給驅(qū)動(dòng)放大器供電提供了足夠的儲(chǔ)備空間。如圖 4 所示，DGC 功能允許 ADC 產(chǎn)生包括零標(biāo)度和全標(biāo)度在內(nèi)的所有代碼 (例如：對(duì)于一個(gè) 18 位 ADC，共有2¹⁸ = 262,144 個(gè)代碼)，同時(shí)降低對(duì) ADC 驅(qū)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(hào)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(hào)數(shù)字化為一個(gè) 18 位代碼。此電路在 LTC2379-18 的演示系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，并獲得了 99dB SNR 和超過(guò) 100dB THD。由于免除了驅(qū)動(dòng)器放大器的負(fù)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(tǒng)的獨(dú)特解決方案。

圖 4：數(shù)字增益壓縮 (DGC) 功能從單電源驅(qū)動(dòng)器放大器實(shí)現(xiàn)了零標(biāo)度和全標(biāo)度代碼

圖 5：完整的單 6V 電源信號(hào)鏈路采用 LTC2379-18 的數(shù)字增益壓縮 (DGC) 功能對(duì)一個(gè)工業(yè) ±10V 真正雙極信號(hào)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換

結(jié)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(tǒng)的難題。此類器件近期在速度、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(xiàn)的創(chuàng)新型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。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(xiàn)了單電源驅(qū)動(dòng)器放大器運(yùn)作的獨(dú)特?cái)?shù)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(tǒng)設(shè)計(jì)。