平衡精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的ADC尺寸、功耗、分辨率和帶寬

目前，工業(yè)產(chǎn)品趨向小型化發(fā)展，該趨勢為精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)帶來了新的挑戰(zhàn)。設(shè)計人員必須平衡整個系統(tǒng)的解決方案尺寸和功耗，同時在更高的帶寬下實現(xiàn)更精確的信號測量并在此過程中進行權(quán)衡。

本文將詳細討論這些挑戰(zhàn)，重點介紹模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 在工業(yè)系統(tǒng)中的作用。

ADC封裝尺寸

正如人們對消費類電子產(chǎn)品不斷增長的需求，人們對減小工業(yè)設(shè)備的尺寸和功耗的需求也在日益增強。只要不影響產(chǎn)品的功能和性能，用戶就會優(yōu)先選擇更小、更輕的便攜式或半便攜式數(shù)據(jù)采集設(shè)備，因為此類設(shè)備更容易在實驗室或在外進行移動使用。小型化可編程邏輯控制器插件模塊在工廠車間的控制面板內(nèi)占用更少的空間，其次，設(shè)備庫存和備件備用庫存需要的貨架空間更少。

當(dāng)然，小型產(chǎn)品設(shè)計與內(nèi)部電子設(shè)備的尺寸直接相關(guān)。圖1顯示了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的布局，該系統(tǒng)使用TI具有四階低通濾波器的THS4551全差分放大器、具有集成緩沖器的REF6041電壓基準和ADS127L11寬帶ADC。鑒于新技術(shù)的進步，值得注意的是轉(zhuǎn)換器不再是設(shè)計中最大的元件。

圖1 典型的模擬前端印刷電路板(PCB)布局布線

ADC功耗

更大限度地降低功耗對于延長便攜式設(shè)備的電池運行時間很重要，此外，實現(xiàn)低功耗也意味著可以設(shè)計出更小、更輕的設(shè)備，并盡可能地降低成本。例如，將四節(jié)并聯(lián)的電池減少到三個。

降低功耗也可讓離線供電的設(shè)備受益。低功率耗散可降低外殼內(nèi)的溫升，從而通過降低集成電路（IC）的平均結(jié)溫（在某些情況下，減少或消除強制空氣冷卻）來延長產(chǎn)品壽命。相比較而言，盡管去掉產(chǎn)品外殼或控制面板上的通風(fēng)槽可減少印刷電路板表面積聚的灰塵和蒸汽，但如果長時間暴露在惡劣環(huán)境中運行，則可能會導(dǎo)致現(xiàn)場設(shè)備出現(xiàn)問題。

降低功耗還意味著電源磁性元件的整體尺寸更小。當(dāng)然，這種尺寸減小也意味著可以選擇更小的外殼。

ADC分辨率

產(chǎn)生噪聲的源會限制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（來自基準電壓和輸入信號調(diào)節(jié)電路）中的測量分辨率，但許多令人滿意的可選元件也可以幫助盡可能減少噪聲源的影響?？梢哉f，影響任何測量交流信號（例如振動/聲學(xué)監(jiān)測和通用數(shù)據(jù)采集）的工業(yè)設(shè)備系統(tǒng)分辨率的主要因素歸結(jié)為轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器不應(yīng)具有音調(diào)和其他限制測量分辨率的雜散頻率，但應(yīng)具有低寬帶噪聲（可解決小信號電平）和低失真，從而實現(xiàn)良好的頻譜性能。

圖2是精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)良好光譜性能的示例。針對本示例中展示的數(shù)據(jù)，所采用的系統(tǒng)元件也是THS4551、REF6041和ADS127L11。

圖2 ADC頻譜性能

ADC帶寬

在精確采集交流信號期間，轉(zhuǎn)換器應(yīng)具有近乎理想的頻率特性：低紋波平坦通帶、陡峭過渡頻帶（可盡可能多地節(jié)省帶寬）以及在奈奎斯特頻率下完全有效的阻帶（可更大限度減少信號混疊）。一旦出現(xiàn)信號混疊，便無法通過后處理來校正信號，因此盡可能經(jīng)濟地衰減帶外信號非常重要。

寬帶Δ-Σ ADC提供這些濾波器特性，包括抗混疊的關(guān)鍵功能。寬帶或磚墻式濾波器基于具有上述通帶、過渡頻帶和阻帶性能的數(shù)字濾波器。濾波器本身只能通過過采樣的概念來實現(xiàn)，并且為了獲得理想功率和分辨率指標，通常與Δ-Σ ADC結(jié)合使用。圖3顯示了典型寬帶ADC的頻率響應(yīng)。

圖3 寬帶ADC濾波器響應(yīng)

寬帶濾波器具有阻帶衰減，無需使用外部抗混疊濾波器而通常需要一個逐次逼近寄存器ADC。寬帶濾波器和逐次逼近寄存器ADC都可在奈奎斯特頻率下提供信號衰減。外部抗混疊濾波器的等效階數(shù)將非常高，且實施起來成本高昂。避免使用外部濾波器可節(jié)省設(shè)計和元件成本，并避免大量帶內(nèi)相移。

轉(zhuǎn)換器寬帶濾波器的抗混疊特性可抑制壓電傳感器產(chǎn)生的帶外信號。例如，振動監(jiān)測系統(tǒng)中常見的壓電加速度計傳感器的諧振頻率比正常信號電平最多高出+20dB。該諧振頻率出現(xiàn)在傳感器響應(yīng)滾降之前。如果諧振被激發(fā)，諧振峰（以及出現(xiàn)的高于奈奎斯特的其他頻率）可能會混疊到通帶，導(dǎo)致信號的頻率分析不正確。圖4顯示了具有典型高頻諧振峰值的壓電加速度計的頻率響應(yīng)。

圖4 在諧振條件下具有響應(yīng)峰值的典型壓電加速度計

將寬帶濾波器集成到轉(zhuǎn)換器中的缺點在于濾波器實現(xiàn)中很多邏輯門需要占用硅片面積。ADC的IC設(shè)計人員可以利用小晶體管尺寸和相關(guān)的低閾值電壓來降低功耗，但同時需要模擬友好型晶體管來實現(xiàn)出色的模擬部分噪聲和線性性能。TI已開發(fā)出滿足這兩個標準的IC工藝。

小晶體管幾何形狀可降低與邏輯門相關(guān)的雜散電容(C)，從而降低內(nèi)部功率損耗。公式1表示在時鐘頻率(f)和工作電壓(V)下工作的功率損耗(P)：

P = V2 × f × C   (1)

降低閾值電壓可降低與V2電源項相關(guān)的功率損耗。另一個優(yōu)勢是通過ADC數(shù)字部分中使用的小晶體管尺寸降低了峰值開關(guān)電流，從而減少了數(shù)字開關(guān)耦合到模擬部分的噪聲。

結(jié)語

借助ADS127L11，TI設(shè)計了一款寬帶ADC，與現(xiàn)有寬帶轉(zhuǎn)換器相比，其封裝尺寸減小了50%，功耗降低了50%，分辨率提高了3dB，信號帶寬增加了50%。ADS127L11在不犧牲分辨率或帶寬的情況下，平衡了尺寸和功率因素。

在選擇精密寬帶ADC時，設(shè)計人員不再需要在優(yōu)化功耗、封裝尺寸、分辨率和測量帶寬之間進行選擇。TI可滿足對越來越小的外形尺寸、更低功耗和更高分辨率的需求，讓您可以為下一代數(shù)據(jù)采集設(shè)備輕松選擇轉(zhuǎn)換器。