数据转换性能怎样实现精准型工业系统

数据转换性能怎样实现精准型工业系统

       准确度和速度

       LTC2378-20所实现的准确度水平以前只可通过使用速度低得多的ADC架构 (例如：ΔΣ ADC或多斜率ADC) 来获得。高通道数自动化测试设备常常采用这种慢速ADC架构以完成高精度 DC测量，并利用多路复用器以使单个仪表能够服务于多个输入。ADC转换时间通常可在很宽的范围内调节，以牺牲速度來提高分辨率。不过，当采样速率高于100ksps 时，测量分辨率常常被限制在16位以下。LTC2378-20每秒能获取百万个读数，每个读数具有2.3ppm的噪声分辨率 (噪声的标准偏差，104dB SNR)。可采用数字方式将同一模拟信号多个读数的结果组合起来以改善噪声分辨率，并产生超过多斜率ADC的性能。例如，通过对10个样本块进行平均处理，LTC2378-20实际上工作在1Msps/10 = 100ksps下，并具有一个0.7ppm的噪声分辨率 (114dB SNR)。

       ΔΣ ADC和多斜率ADC可通过配置而在一个观测/积分周期中对一个模拟输入信号进行平均处理，以抑制噪声和干扰。通常采用一个100ms的观测周期来同时抑制50Hz和60Hz线路频率干扰，从而产生一个仅为10sps的吞吐速率。相应地，当采用一个多斜率ADC时，服务于10个多路复用通道将需要整整一秒钟的时间。图2示出了单个工作在102.4ksps采样速率下的LTC2378-20 ADC，其配置有一个多路复用电路，以在100ms的观测周期内同时测量所有10个信号 (交错式)。在保持与100ms观测周期相对应的线路频率干扰抑制的同时，吞吐速率有所增加，增加倍数为复用通道数 (这里是10倍，但还可以更高)，从而大幅度提高了自动化测试设备的生产率。在此实例中，通过对在观测周期中取自每个通道的1024个样本进行平均处理可增加噪声分辨率，并提供22位的噪声分辨率 (0.07ppm或70nVrms)。平均运算可利用一个简单的加法器 (用可编程逻辑或处理器可轻松实现)来完成。因此，LTC2378-20 显著提升了测量速度，同时保持了先前架构的重要优势。

图2：LTC2378-20配置为在100ms的观测周期内对10个模拟输入同时进行读取和平均操作

      由于单个LTC2378-20器件有可能取代多斜率设计所需的多个分立组件，因而为平衡成本、电路板空间和通道数开辟了一个颇具价值的设计自由度。利用一个或多个LTC2378-20 ADC 来替代一个多路复用仪表可缩减系统尺寸、降低功率、减少解决方案成本、并使速度提升至比传统方法高几个数量级。此外，由于该器件能够以高达1Msps速率工作于其本机模式，如充当一个奈奎斯特(Nyquist) ADC，因此单个LTC2378-20 ADC非常适用于那些有可能需要使用不止一种ADC的系统，比如：用一个多斜率ADC进行高准确度低噪声测量，而用一个 SAR ADC来提高较低分辨率测量的速度。

     简化并减少信号链路元件

      使用高分辨率ADC能带来一个有趣的好处：模拟信号链路的简化。较高分辨率的ADC可降低甚至免除增设模拟信号调理功能块的需要。由于模拟部件常常产生非线性、漂移和其他误差源，因此它们的减少甚至免除将使最终的系统设计既更加简单，也更加准确。

       宽动态范围传感器通常与可变增益放大器配对使用，以在传感器的整个输入范围内实现足够的测量分辨率。例如：一个光学功率传感器可能具有横跨6个测量数量级 (从nW到mW)的可用范围。传统的方法是采用一个对数放大器把高动态范围信号调节至一个较低动态范围ADC的输入范围之中。增益在小输入幅度时很高，并随着输入幅度的增加而滚降。这种方法的缺点是模拟对数功能部件会发生漂移，而且带宽随输入而变化。热流量表是另一个传统上需要可变增益的非线性传感器实例。低热流具有较高的灵敏度，因而导致测量指示需要较高的分辨率，而高热流则具有较低的灵敏度和分辨率。 LTC2378-20在噪声方面具有超过5个数量级的动态范围，而且它提供了6位级的DC准确度(1ppm)，这对于直接对此类信号进行数字处理是足够了。可采用数字信号处理方法来增加噪声动态范围 (通过减小带宽)，或实现一种对数功能 (例如，数字代码的简单右移或左移)，或者补偿传感器的非线性。

      采用可编程增益放大器(PGA)和步进衰减器是在具有一个低分辨率ADC的系统中实现宽动态范围的其他方法。自动量程电压表即为一例；该仪表在其最灵敏的量程中启动，并在输入超过低量程限值时立即切换至一个较高的量程 (通常大10倍)。不过，在切换量程时将出现中断。理想的情况是：一个输入量程的100%应精确地等于下一个较大量程的10%，但实际上始终存在着一定的误差。同样，LTC2378-20出色的线性和动态范围特性允许将多个量程组合起来，从而消除了因切换量程而引起的中断现象。

       控制系统

       对于在混合模式控制系统中使用的ADC来说，延迟是一项重要的参数，因为过多的延迟有可能导致不稳定性。虽然市面上有线性度达ppm级的ΔΣ ADC销售，但它们只能在具有低调节带宽的非常低速之控制系统中使用。LTC2378-20的无周期延迟特性与其卓越的线性度相结合，可造就速度快得多且高度准确的成本效益型混合模式控制系统实现方案。控制系统的调节带宽与其噪声带宽有关，而且它只是影响控制系统整体噪声之ADC噪声的带内部分。LTC2378-20可提供104dB SNR，在1Msps的采样速率下，这意味着其22.5μVrms的输入参考噪声对应一个仅31.5nV/√Hz 的噪声功率频谱密度(PSD)。相应地，当应用于一个具 10kHz 调节带宽的 1Msps 控制系统时，带内噪声仅为31.5nV/√Hz * √10kHz = 3.2μV，对应于一个121dB的动态范围。在该例中，3.2μV的噪声分辨率与由非线性引起的不确定性 (仅为±0.5ppm*10V = ±5μV) 大致相同。控制系统实际上在1Msps/(2*10kHz) = 50个样本上进行噪声平均运算，以实现ppm级的噪声和线性性能。不管平均运算是采用一个数字滤波器 (控制器) 来完成、抑或是采用某个用于限制带宽的模拟系统组件来完成，都不会对性能造成影响。图3示出了一个混合模式控制系统，其中的带宽部分地受限于飞轮的惯性。

图3：混合模式控制系统

        结论

        精准型工业系统设计拥有了一种用于改善信号链路性能的新选择。20位SAR ADC LTC2378-20在高转换速率(1Msps) 和低功耗(21mW)下提供了前所未有的准确度(保证INL为2ppm)和低噪声(104dB SNR) 水平。高准确度、低噪声和无周期延迟特性的组合使LTC2378-20具有很高的通用性 (适合在高精度测量和控制系统中使用)，从而可实现高度准确、灵活和具成本效益的新一代精准型工业系统。