高端工业翘首以盼,TI 32位精密ADC破茧成蝶

2015-07-30 16:56:47来源: EEWORLD作者: 陈颖莹
ADC在高端工业领域的瓶颈:巧妇难为无米之炊

    目前,很多工业类厂商在做高端产品时显得有点“巧妇难为无米之炊”,由于大部分性价比较高的全是24位Δ-Σ ADC,即使想提高精度也只能在不同厂商的24位Δ-Σ ADC中挑选,选一些温漂较低的、有效位(ENOB)较高的、带高精准的基准的,尽量向24位靠拢,但其实都离不开24位的架构。更要命的问题在于:一个24位ADC,真正精度达不到24位,尤其是利用累加原理实现的Δ-Σ ADC。我们来看一些典型案例。
 
    PLC系统发展至今,其中的ADC位数从10位到20位不等,16位ADC是目前应用最多的,而24位ADC已经是高位数了。一些PLC应用,如石油勘探,对温度控制要求更高,要求在全温度范围内都有更高的分辨率,目前的24位ADC往往不够用。
 
    再如测量黄金、珠宝重量这类高精度测量,即使有毫克之差,也会带来经济损失,因此也需要超过24位的ADC。
 
    工业现场用的各种采集板卡和系统需要在一个长期的工作环境下采集数据,它要求两种稳定性:温度的稳定性、长时间工作的稳定性。把这两种稳定性要求落实到器件层面,就对芯片的温漂提出了较高的要求,即低温漂漂移的稳定性,这对ADC发展非常重要。
 
    工业设备的小型化和集成化趋势也给芯片带来了同样的挑战,一颗ADC需要包含输入输出、基准、晶振,而在使用环境恶劣的工业现场,设备往往要求具备诊断功能。
 
“Duang”不出的成功
 
    工业界的这些需求,都让ADC厂商“压力山大”,作为全球模拟器件的领导者,德州仪器(TI)挺身而出,最新推出的32位精密Δ-Σ ADC ADS1262ADS1263解决了上述问题,不但使自己破茧成蝶,也将帮助工业客户突破技术瓶颈,争夺工业4.0的大蛋糕。近日,TI模拟产品业务拓展经理朱文斌先生专程来京,向记者详述了新产品的技术优势。
 
    “总体来看,24位ADC基本处于饱和状态,需要在ADC本身架构上、精度上有所突破。TI的新产品不是‘Duang’的一下出来,而是建立在ADS1220、ADS1248等产品的基础上,延续其优势,并顺应客户产品路线以及工业4.0对于实时性、高速、高精度以及小型化的要求。新产品能保证TI在工业4.0越走越远,越做越好。”朱文斌先生介绍到。“ADS1262和ADS1263 ADC实现了更多的有效位、更高的系统可靠性和低偏移漂移。”
 
    那么ADS1262和ADS1263内部到底有什么呢?一句话来说就是“除了没有MCU,其他都有”。例如32位Δ-Σ ADC、辅助 24 位增量-累计 ADC (ADS1263才有)、2.5 V低漂移内部基准、7.3728 MHz的内部时钟、高阻抗可编程增益放大器 (PGA)、SINC + 50/60 Hz 数字滤波器、温度传感器、双激励电流源 (IDAC)、振荡器、电平移位器、8个通用输入/输出 (GPIO) 引脚等,如图1所示。
 
图1 ADS1262和ADS1263内部架构
 
     朱文斌先生谈到了ADS1262和ADS1263的三大亮点以及对于高端工业应用带来的好处。
 
高速下的最高有效位
 
    ADS1262和ADS1263具有32位高分辨率和27位有效位(ENOB),在2.5 SPS数据速率下达到最高位分辨率,即只有7 nVRMS 噪声,能准确测量小信号,而对于输入信号为10 mV 或者更小的电桥应用是必不可少的。更重要的是,ADS1262和ADS1263能支持在38 kSPS采样率的情况下还能做到16位的精度,这是相当厉害的水准,实现速率和精度的完美平衡。这就可以使模拟采集板卡之类的应用在精度和速度方面有了更高的性能。
 
    举个例子,TI在传统的PLC/DCS的某个客户要做新一代的PLC系统,他提出的要求是:除了高精度之外,还要高速,即高密度的PLC。所谓的高密度PLC就是单个ADC能采样很多通道,除了精度的要求还有高速的要求;同时还需要采样不同的输入信号,比如0~10 V,±10位、热电偶、热电阻,ADS1262和ADS1263很好地满足了这类综合性要求高的应用场景。
 
玩转“漂移”
 
    工业应用不是速度与激情,更需要的是稳定,它是非常抗拒“漂移”的。ADS1262和ADS1263的偏移漂移为1 nV/°C,增益漂移为0.5 ppm/°C,积分非线性 (INL)为3 ppm,不但实现了同类产品中最佳的转换精度,偏移误差漂移也比同类解决方案低 80%,从而确保了整个温度范围内的测量稳定性(–40°C~+125°C )。
 
   “以数据采集卡为例,其在常温上要做到千分之一或万分之五的精度不难,难就难在宽范围温度情况下都要做到这个精度。PLC的指标很多都是分温度段的,例如–40℃~0℃,0~80℃,以及80℃~125℃,因为在这3个不同的分段ADC、参考基准、运放等芯片本身表现是不一样。这其实也是困扰设计者的一个问题:如何在宽范围的温度范围内都保持一个很好的精度。而ADS1262和ADS1263 从芯片本身就帮助研发者解决了很多温漂的问题,包括内部高精度的基准、低增益漂移和偏移漂移。”朱文斌先生再次用案例强调新产品在温漂上的优势。“回顾10年前、甚至5年前PLC的设计问题,在考虑温漂时可能要考虑外部基准温漂、ADC温漂、运放运转,再把所有累加在一起,用硬件、软件做校准,但效果却不是很好。此外,很重要的一点,做温漂的成本相当高。有了ADS1262和ADS1263以后,PLC客户的难题迎刃而解。”
 
集成与诊断
 
    ADS1262和ADS1263所集成的内部信号链监视、数据误差检测、传感器过载检测等特性以及一个测试数模转换器 (DAC),可为高可靠性系统提供必须的故障检测和诊断。
 
    朱文斌先生强调了所集成的电流DAC的优势:“电流DAC(IDAC)是工业线上经常使用的热电偶、RDD必须采用的电流源,很多PLC系统里进行RTD测量时,如果IDAC还是用分立器件就需要外加电流源去做RDD测量,但这种效果不见得很好,搭双路电流源的匹配性也不是很好。因此从集成度的角度来讲,ADS1262和ADS1263基本已经集成所有工业线上模拟信号输入的采样。”
 
    ADS1262和ADS1263还集成了故障检测和诊断功能。用户能判断PGA、ADC是否饱和。此外,它要具备传感器的诊断功能,能判断前面的温度传感器、RDD是断路或短路,原因是里面集成了另外一路的电流源,它会发送一些比较小的电流到前端传感器,从而判断断路或短路。
 
     ADS1262和ADS1263还集成了一些标定的功能,里面有专门的DAC能产生一系列信号去标定这个链路是否正确或者芯片是否有问题。朱文斌先生表示:“很多客户在搭这类系统时都会在外围搭一堆标定电路,典型做法是会加一些1 V或3 V基准放在ADC前面,系统搭好之后会启动这些标定电路,对整个系统信号进行标定,或者每次系统断电重启之后进行一定标定。这一是出于精度的要求;二是出于安全性的要求,因为软件、硬件随时可能发生问题,软件会不可避免地产生漏洞,这种标定电路板就显得很重要了。ADS1262和ADS1263集成的一些标定电路让工程师方便地标定整个信号链路。”
 
工业4.0从TI模拟开始
 
    针对工业应用的高精度和高集成度,ADS1262和ADS1263主要应用领域包括工业自动化、PLC及DSC、测试与测量、温度测量。
 
    朱文斌先生对这四类应用分别进行了解释:“工业自动化或过程自动化里面的一些自动控制需要很多模拟数据信号采集、温度采集、压力采集等,根据客户本身的产品不同,它的表现形式多样。PLC是比较传统的应用,也比较容易理解,DCS则是在PLC系统基础上更进阶的大型控制系统,我们在发电厂、火电厂、核电厂、石油勘探工厂或现场都会看到这样一些大型系统去监测每一个节点的温度、压力等等。很多工业类应用是对测试与测量精度的要求是非常高,可能要到毫克这样的精度,所以24位肯定是不够的,32位就能很好地解决这样的问题。温度测量其实工业自动化有些是重叠的,但是还是有自身特点。温度测量是ADS1262和ADS1263一个很重要的应用范畴,里面集成了双电流源的DAC,可以做RTP的测量。”
 
    ADS1262和ADS1263最大的区别是,ADS1263多了一个24位Δ-Σ ADC。这能用来做什么呢?朱文斌先生给出了答案:“做热电偶测量时,其实需要两个通道的ADC,一个通道测量热电偶,另外一个通道做冷节点的参考,一般使用RTD做冷节点参考。目前,高精度的热电偶方案会有两颗24位ADC,一颗24位的ADC做热电偶前端采集,另外一颗24位ADC做冷节点补偿,这样成本也很高。ADS1263就是把这颗24位ADC放在里面,单颗芯片就可以做热电偶的测量。”
 
    这就是为什么ADS1262和ADS1263基本上颗单芯片就能解决问题的原因,也是TI一直致力于在做的,让系统更集成化、小型化,顺应工业4.0的要求。
 
全方位加速设计
 
    开发工具和参考设计是TI的强项。32位精密ADC作为TI重磅推出的产品,当然也有很好的设计支持。例如性能开发套件,用于微软视窗系统的ADCProTM评估软件,可配置输入、基准、电源和时钟源。朱文斌先生简单介绍了ADCProTM:“在插上之后它上面能显示有效位、噪声、分分值,基本能把ADC综合性能评估出来,用户可以在上面看到这个有效位是否满足输入输出的要求,因此ADCpro软件是很实用的。”
 
    TI还推出了针对采用交流电桥励磁的高分辨率、低漂移、高精度称重天平的 TI Designs 参考设计 (TIPD188)。能提升电桥测量的偏移和偏移漂移性能,加快上市时间,包括电路原理图、物料清单 (BOM)和设计文件。
 
    此外还有基于Excel的器件配置计算器,可检查PGA输入范围要求,计算循环冗余校验 (CRC)/校验和值,评估不同的SINC滤波器响应,查看寄存器映射。
 
    朱文斌先生特别强调了输入/输出缓冲器信息规范 (IBIS) 模型:“为什么这里会出现IBIS模型,因为SPI数据输入口速率很高,如果芯片和MCU有一定距离,会造成一些信号完整性的问题,信号完整性是除了精度要求以外另一个比较重要的话题,特别是在于PC端上高速信号完整性,它会牵涉EMI这些问题,特别是通信类的高速PC板。TI有这样的模型可以给用户做验证,从而可以知道布板、MCU距离怎么样,布线怎么样,SPI通信才能做到比较好的信号完整性,这对于模拟电路设计者来说是非常有价值的。”
 
    在工业4.0下,模拟芯片的挑战主要体现在高精度、高速及小型化上,ADS1262和ADS1263作为TI布局高端工业的排头兵,性能是“秒杀全场”的,你还犹豫什么呢?快去体验吧!

关键字:ADC  ADS1262  ADS1263  Δ-Σ  PLC  工业4  TI

编辑:chenyy 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2015/0730/article_10233.html
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