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多路复用的高分辨率ADC功能的应用实现方案
文章来源:永阜康科技 更新时间:2021/8/31 10:13:00
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本白皮书介绍了为需要多路复用的高分辨率ADC功能的应用实现前所未有的成本和性能。本文讨论了传统的SAR方法,并介绍了新的高通量delta-sigma架构,例如失真性能和动态非线性性能。

ADC的基本要求始终围绕分辨率,精度和带宽。选择ADC时必须考虑的其他重要考虑因素是信噪性能,失真和等待时间。许多应用需要ADC的快速响应能力,以便处理来自各种传感器的高频或连续读数。在ADC内有效多路复用多个信号的能力变得越来越重要。这是由于对在同一设备中处理多个模拟输入的需求不断增长,例如设计能够在生产环境中同时监视和集成来自多个传感器的实时输入的PLC。

当然,在选择任何组件时必须考虑的其他要求包括设备本身的成本以及确保其在整个设计中正常运行所需的任何支持电路的成本。对于ADC而言,这可能是一个特别重要的问题,尤其是在高性能多路复用环境中使用时,这是因为所需的支持电路可能会根据所选ADC的类型而有很大不同。例如,如果ADC架构本身并不能提供出色的噪声抑制和测量精度,则可能需要对电路进行过度设计才能达到性能目标。在这方面,由于板级空间,与设计输入缓冲器相关的成本和功耗要求可能会迅速超过SAR本身的低功耗规格。所有这些因素在经济有效地实现设计目标中都起着至关重要的作用。

传统的SAR方法

传统上,上面提到的高性能应用程序的类型是使用SAR体系结构围绕ADC设计的,该体系结构在连续的时间点提供一系列数据的“快照”。SAR通常针对需要快速响应和低延迟的应用。但是,由于SAR设备对噪声敏感并且具有相对较低的DNL性能,因此对大量支持电路的需求通常会提高基于SAR的设计的总体成本和复杂性。

相比之下,传统上使用Delta-Sigma架构的ADC能够提供出色的DNL和噪声性能,并允许复杂得多的支持电路。直到最近,Delta-Sigma ADC还没有被认为适合用于需要低延迟和高转换率以实现宽信号带宽的高性能应用。但是,正如本文余下的测试数据所说明的那样,这种“常规智慧”不再成立。

引入新的高通量Delta-Sigma架构

随着新的高吞吐量数据转换器CS556x / 7x / 8x系列的推出,Cirrus Logic从根本上扩展了系统设计人员可以使用的选件范围。整个产品系列由16位和24位ADC器件组成,基于先进的高通量Delta Sigma架构构建,该架构旨在以最高200 kSps的速率完全满足每次转换的要求。这提供了比SAR设备可比或更好的高响应,低延迟性能,因此使新的高吞吐量Delta-Sigma设备成为传统上需要SAR的应用中经济高效的替代产品的理想选择。

单周期延迟

过去,Delta-Sigma型ADC一直专注于对诸如温度传感器和磅秤称重传感器等缓慢变化的信号进行最高分辨率的测量。由于噪声抑制对于在嘈杂的数字环境中获得测量精度至关重要,因此设计人员已经习惯于看到长的“ sinc”型数字滤波器,这些滤波器具有出色的线频率干扰抑制能力,例如50和60 Hz的线频率及其谐波。这些滤波器易于实现,占用最小的管芯面积,并具有出色的噪声性能。然而,这种滤波器趋向于相当长(在传送输出字之前处理输入信号所需的大量转换周期),因此响应于输入变化很慢。例如,

 

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

另一个重要功能是按需转换的能力(另一个SAR功能)。这种功能使这些设备非常适合进行异步测量,这在生产环境中通常是必需的。这样就可以协调转换与特定事件的转换,例如将流量与脉冲或其他传感器输入同步。此外,运行双极性电源时,可以使用真正的双极性输入。当前的工业产品采用单电源供电(仅+5 V),并且需要一个电平转换器将双极性信号向上移动到地面以上,这会给系统误差预算带来额外的增益和失调误差。

缓冲输入具有许多优势

正如已经讨论过的,SAR型转换器提出了许多设计挑战。在模拟信号输入端,这种情况最明显。在模拟信号输入端,设计人员必须严格注意元件的选择和电路布局,以便在面对多个噪声源的情况下获得为转换器指定的测量精度。考虑到由于SAR架构中使用的高速比较器以及设备内部快速变化的数字电路,SAR转换器本身可能会成为主要的噪声发生器,所以即使对于最有经验的人来说,这通常也不是一件容易的事,而且也是一项艰巨的任务系统设计师。

革命性设计-拥有悠久的卓越历史

还需要注意的是,这种新的高通量Delta-Sigma器件系列来自一家供应商,该供应商以其在广泛范围内开发高精度模拟和混合信号集成电路(IC)的专业知识而享誉全球。消费和工业市场。Cirrus Logic广泛的产品组合已经包括用于消费类,专业和汽车娱乐应用的模拟和混合信号音频IC,以及用于工业应用的高精度模拟和混合信号IC,例如工业测量,分析仪器,消费者公用事业,数字功率计和地震系统。

典型应用场景

高分辨率和不受限制的信号带宽的结合使设计人员能够根据其特定的应用要求对信号进行噪声处理和滤波。在适用的情况下,这甚至可以包括自适应过滤,其中系统可以动态修改其过滤器以适应不断变化的环境,从而提供以前无法用于高分辨率测量应用程序的新功能。

受这项新技术影响最激动人心的应用领域之一是PLC和过程控制系统的嵌入式功能设计。近年来,工业自动化环境已越来越重视分散控制,它使用紧凑的多功能解决方案,这些解决方案可适应处理各种实时传感器输入以及嵌入式智能和闭环响应性,以实现本地决策循环。在太多情况下,不良的DNL性能,噪声特性以及对额外支持电路的需求,限制了SAR用于实现下一代模块化PLC的可用性。

 
 
 
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