DAC/比较器架构与集成ADC优势比较

2012-02-11 12:52:56来源: 互联网 关键字:DAC  比较器  ADC
本章节列举了DAC/比较器架构和集成ADC相比所具备的优势。所讨论的应用电路既常见又简单,也存在一些共性问题。

  首先,考虑采用低成本方法实现电力线电压跌落、浪涌以及瞬态检测和故障记录。理想的设计是采用墙上设备监测电力线异常,并将每次异常发生的时间记录到RAM中(电压跌落和浪涌的持续时间可以从几毫秒到几小时;瞬态可能短至10微秒)。监视器必须记录电力线完全失效的持续时间,因此,监视器应当由电池供电。

  传统解决方案是采用控制器和ADC。由于转换器连续对电力线电压采样,控制器需将每次采样值与软件中用户设定的限制进行比较,并将任何超出规定的状态记录到RAM。由于系统必须能够追踪到短至10µs的瞬态情况,ADC采样间隔必须相当短——保守估算时间可以长达2.5µs。因此,控制器必须以1/2.5µs = 400ksps的速率进行采样处理。

  如果软件比较具有高效编码并且ADC无需处理器干预,系统每次采样可执行少于10条指令,这就要求处理器具有4MIPS的能力。这种执行能力并不适合采用电池供电(图1)。需要考虑用模拟方法对输入瞬态偏离进行响应,用以替代连续跟踪方案。

  在这种情况下,DAC/比较器替代方案提供了几个明显优势。需要4个DAC和4个比较器(或一片MAX516),后面连接一个4路设置/复位触发器。一组DAC/比较器/FF监测高瞬态电压,一组监测低瞬态电压,一组用于监测电网跌落,一组用于监测浪涌(图2)。瞬态电压直接耦合到比较器,连接到电压跌落和浪涌监测比较器的输入首先要进行整流和滤波,以获得电网电压的平均值。可在软件中调整到合适的rms。

  系统每T秒进行采样并对触发器复位,此处T为瞬态记录时间分辨率(也许为60s)。高、低瞬态电平DAC用于设置所要求的门限。电压跌落和浪涌DAC在每T秒间隔后进行调整,采用逐次逼近技术产生高、低门限,以跟踪目前平均值。

  假设执行逐次逼近以及其它任务的子程序具有1000条指令(保守估计),对于T=60s,CPU平均每秒执行17条指令。执行速率是0.00002MIPS,非常适合低功耗系统,远远低于ADC方案的4MIPS。为进一步降低功耗,控制器可在大部分时间内处于“休眠”,仅在处理电力线异常时唤醒。将电压比较从软件方式转换为模拟硬件方式,该电路大大降低了功耗、设计复杂性以及成本。

  较低的故障检测和诊断维护成本

  打印头控制、车辆控制以及许多其它机电应用,需严格监视内部电压和温度以确定何时更换工作模式。极端情况下,这种反馈可使系统避免全部关断自毁。例如,在必要时步进电机控制器必须调整输出MOSFET的栅极驱动以避免线性工作时消耗过多功率。

  监测这些问题的传统方法是采用ADC(图8a)。处理器控制ADC进行周期性测量,与控制处理保持时间常数一致。然后对结果的量化值进行缩放后与软件中的门限进行比较。如果超出范围,可触发纠正动作或者全部关断系统。

  另外一种方法是采用DAC/比较器组合(图8b)。静态DAC输出建立关断门限或比较器触发值。当温度变化造成比较器触发,比较器会对处理器发出中断来启动纠正动作。必要时,处理器还可以通过启动基于软件的逐次逼近程序来确定极限温度值。

  表1 逐次逼近伪代码

  

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  图8 在这种情况下,用DAC和比较器(b)替换ADC(a)可降低系统成本、响应时间以及软件开销

  另一方面,为支持ADC,处理器在跳转到关断子程序之前必须轮询ADC、输入采样值并与先前设定值进行比较。这样,DAC/比较器不仅节约成本,而且提供了比采用ADC的更快响应;同时还减小了处理器开销。

  最后,低成本、低功耗DAC/比较器组合(相对于ADC)在便携式时域反射计(TDR)中非常实用,后者是一种用于检测电缆的不连续性并可测量中间传输长度的仪器。廉价的便携式TDR随着网络电缆的增加变得非常普遍。

  TDR工作原理类似于雷达,沿着线缆发送一个主脉冲并监测由开路、短路、或者其它电缆阻抗不连续产生的反射。发射脉冲及其反射波传输延时间隔大约为每英尺3.3ns,假设线传输速率为0.6c(光速的十分之六)。那么,在电子学上10ns时间分辨率可分辨出大约3英尺距离的不连续性。

  接收到的脉冲幅度和发送脉冲幅度的比用于计算反射系数。知道反射系数和电缆阻抗就可以计算不连续阻抗,从这些信息可推断出不连续的原因。同轴电缆在反射回路上对脉冲的衰减使其变得复杂,因此,软件必须对此进行补偿,通常根据测量距离施加一个幅度修正。

  本应用中的ADC必须每个5ns转换一次(200Msps)。尽管厂商可以提供这种ADC,但价格非常昂贵,而且功耗大,通常不适合便携式应用。

  实际应用中的手持式TDR模拟前端(图9)能够说明上述观点。为了便于说明,这里没有包括数字电路。尽管简单并且没有特殊元件,该电路仍具有很好性能。能够可靠地测量端接阻抗并且对于500英尺长的电缆具有5%测量精度。可测量长达2000英尺的开路或短路故障。重要的是,系统(包括显示和数字电路)可在9V碱性电池下工作长达20小时。

  

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  图9 该时域反射计的模拟部分采用DAC/比较器代替ADC

  图9中比较器(IC3)采用单电源供电、地电位检测以及仅10ns传输延迟。DAC(IC4)为双通道器件,一方面用于脉冲高度测量,另一方面驱动LCD对比度控制(如图3)。注意DAC为反向驱动;电流输出端连接在一起由经过缓冲的电压基准驱动,基准输入作为电压输出(每路带有一个外部放大器缓冲)。

  利用简单的脉冲单稳态电路(没有列出)驱动Q1基极,利用正向、持续时间为10ns的脉冲依次驱动电缆。电缆的所有反射通过C3耦合到比较器。

  IC5为1.2V输出带隙基准,由放大器IC2d缓冲,为IC4双路DAC提供基准电压。该基准电压被IC2c两倍增益放大器放大后,为比较器同相输入提供2.5V直流电平。DAC A在比较器反相输入端施加一个0至3.8V电压。高于2.5V的电平用来判断正向脉冲高度,低于2.5V的电平用来判断负向脉冲幅度。

  每个输入到传输线的脉冲还经过了数字电路可变延迟线,该延迟线是由计数器控制的20ns延迟单元串接而成。来自数字部分经过延迟的脉冲驱动两个触发器(IC1a和IC1b)的D输入端,触发器由比较器互补TTL输出轮流触发。这样,时间测量取决于返回脉冲和通过延迟线脉冲的竞争:如果D输入比时钟变化到来得早,触发器输出为高;否则,输出为低。

  测量时,将DAC输出设置为最低值并重复调整延迟,直到触发器输出保持为零,读取计数器。同样,测量返回脉冲高度时,重复调整DAC输出直到触发器输出保持为零,然后读取DAC。注意,两个触发器需要捕获正脉冲和负脉冲的前沿。前沿是指正脉冲的上升沿和负脉冲的下降沿;如果两个脉冲施加到一个触发器,脉冲宽度可能产生人们所不期望的延迟。

关键字:DAC  比较器  ADC

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0211/article_14155.html
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