∑-ΔADC(第三部分):新诀窍

2012-11-25 22:15:37来源: 互联网
ADC首先要考虑的基本要求是分辨率、精度和带宽:其它需要考虑的重要事项包括信噪性能、失真和等待时间。一些应用需要快速响应来处理来自传感器的高频或者连续读数。而在另一些应用中,在ADC内多路传输多重信号的能力很重要,例如,对于那些能够同步监控和集成来自多个传感器的实时输入信息的PLC。

  设备成本以及任何所需支持电路的成本对于组件的选择同样重要。这对于ADC来说是非常重要的,尤其是当被应用到高性能多路传输环境中时,因为根据所选ADC的类型,所需的支持电路会有很大的差别。

  传统的SAR方法

  通常情况下,之前提到的高性能应用类型是根据逐次求近寄存器(SAR)ADC设计的,这类ADC可以及时在各个连续点处提供一系列“瞬像”。SARADC一般定位于面向那些需要快速响应和等待时间相对少的应用。但是,由于他们对噪声很敏感,而且拥有相对低的差分非线性特性(DNL),因此通常需要重要的支持电路,增加了总成本和设计的复杂性。

  较差的线性不能通过对信号的过采样来达到平衡。为了进行补偿,设计工程师必须过多地细化ADC,并使系统设计保有一定的余量。相似的,在固有噪声环境中,SAR ADC的高噪声敏感度和有限的噪声抑制能力对工程师来说是一个额外的设计挑战,尤其当产品被用于生产车间或多波段ATE系统群中的PLC上。

  相反,△ Σ ADC通常能够更好地传递DNL和噪声性能,并且只需要相对简化的支持电路。但是,人们并不认为它们适合用于那些需要低等待时间和高转换速率来实现宽信号带宽的高性能应用。

  新型结构

  来自Cirrus Logic公司的高通量ADC的CS556x/7x/8x系列产品包括16和24位设备,围绕一个先进的高通量△Σ结构建立,该△ Σ结构是专门为了解决每次高达200Ksps的转换速度而设计的。这提供了高响应低等待时间性能,这些性能和SAR ADC相当或者更好,使它们可以在那些通常需要SARADC的应用中作为一个具有成本效益的替代品。

  单循环等待时间

  CS556x/7x/8x系列产品和一个快速FIR型滤波器相结合具有两个主要优势。第一,滤波器接近取样频率的2倍,为用户提供不受限制的频率响应。第一,滤波器被快速处理,并在取样周期的末期发送了一个新的输出字。这个单转换等待时间使新设备能够提供和△ Σ ADC(具有很高的采样频率和SAR转换器的Nyquist带宽)一样的噪声和DNL性能。

  这个新设计也克服了许多传统SAR设备所强加的“静肃时间”,在采样过程中,这段时间里的ADC输出不能被存取。对这些新△ Σ的测试证明存储数字输出在转换周期的任何时候,对设备的性能都没有影响,包括在全速运行时。

  缓冲输入的优势

  SAR型转换器解决了很多设计难题,并且除了模拟信号输入以外,在其他领域亦有应用,设计师必须注意组件选择和电路设计,从而在多路噪声源存在的情况下保证测量的精确度。考虑到SAR转换器自身可能就是一个大的噪声源(由于其设备中的高速比较仪和快速变化数字电路),这就不是一个小成就了。

  相比之下,△ Σ转换器除了超高的精确度外,对噪声敏感度也很低。新设备具有集成高阻抗输入缓冲放大器,这使它可以在无需复杂的外部输入缓冲电路的情况下很容易达到完全细化的性能。SAR设备通常利用一些取样保持型电路来维持在转换过程中被抽样的收入信号的稳定表现。因此,输入常表现为对信号源的非常低的阻抗。在一些应用中,这个高通量△ Σ设备的新产品系列可以(在某些情况下)被传感器直接驱动,无须通常在SAR中使用的缓冲放大器。

  由于在输入端进行过采样,如使用24位CS5560/1设备时以160采样/转换速率,8MHz速率进行采样,△ Σ调节线圈中的低通滤渡器和在数字滤波器中进行的数字平均抑制或忽略导致SAR设备产生类似问题的大部分噪音。

  在电流复合信号环境中所遭遇的另一个问题是单输入操作。CS556x/7x/8x系列产品在±2.5V输入时的操作具备真正的双极模拟输入能力。对于测量地面参考AC信号或者负向输出传感器的用户,这是一个很大的优势;一个电平移位放大器需要移动一个低于地面的信号来满足单输入转换器的输入要求,引入额外的噪声和对敏感的低水平信号的偏移误差。

  下一章节详细介绍了关键参数的性能比较,例如失真性能和动态非线性。

  失真和DHL

  图1和2展示了一个广泛应用的SAR设备和高通量△ ∑ CS5571的失真性能比较。在-12dB最大标定情况下,SAR显示出91.6dB的信号失真(S/D)比,而CS5571的S/D比为100dB。

  

 

  差分非线性(DNL)主要是代码宽度的测量结果,被标准化到最大标定。这是来自相同或平均编码尺寸的绝对偏差,它导致了一个编码与另一个编码在电压步长上的差异,代表了编码型号的真实差异,该差异对遗漏码、增益和偏移误差都有影响。从一个竞争对手的最主要的SAR设备中测得的SAR DNL图,显示了在代码大小方面的差异而配套的CS5571 DNL结果在以相同转换速度的运行期间显示出更低的误差。

  典型应用场景

  这种高分辨率和不受限信号带宽的结合使设计师能够完成噪声处理和信号过滤的任务,这些任务是根据其特殊的应用需求量身定做的。在可应用的场合下(甚至包括自适应滤波),系统可动态调整其滤波器来适应不断变化的环境。

  最令人兴奋的应用领域是用于PLC和过程控制系统中的嵌入设计能力。工业自动化环境已朝着分散控制、应用简洁、多功能系统的方向迈进,这些系统适合处理各种实时传感器输入,并提供嵌入式智能和闭环响应来执行本地决策环。高通量△ ∑ ADC使设计师能够在保证高测量精度维持一定的DNL性能水平的同时,引入高分辨率和低等待时间。实时闭环应用需要“无遗漏码”功能,并且必须避免在ADC转移功能中的步进(这可能导致操纵系统状态的不确定)。

  自动测试设备(ATE)需要实时监控并处理多路同步输入流。这里,一致的DNL性能对于得到精确的测量结果非常重要,尤其是长时间持续监控删试信息并监视很小甚至微小信号差异的时候。对于那些用于测试并测量对噪声敏感的设备的ATE系统,SAR ADC固有的噪声敏感度将与测试结果相互干扰。设计师通常用具有比设计要求更高的分辨率和速度的SAR型转换器以及平均多重抽样来获得想要的系统测试精度。高通量△ ∑转换器新系列产品可以精确传送每一个读数,无需过高的分辨率抽样速率以及对非最佳结果的后过程处理。

  在医疗仪器领域,诸如床边监控器、血液分析仪以及其它诊断系统设备通常采用12到16位ADC。过渡到具有更高分辨率的ADC使设计师能够直接将传感器信号数字化,而无需前置放大,并且在软件中进行信号增益和偏差矫正,同时改进了精度和分析灵话性。

  重量测量需要更高的精度持续测量,并且对于执行高精度批量控制和高速称重功能来说非常重要。实际生产的产品可以大到笨重的大块产品(如混凝土),小到消费产品(如薯片),但是,对准确性和快速响应的需求对于达到质量和产量目标来说非常重要。

关键字:∑-ΔADC

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/1125/article_17738.html
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