精準(zhǔn)型工業(yè)系統(tǒng)要求新的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度水平

引言

許多工業(yè)系統(tǒng)都需要以最高的準(zhǔn)確度來(lái)測(cè)量關(guān)鍵性的參數(shù)。實(shí)例包括地震監(jiān)測(cè)、能源勘探、氣流感測(cè)和硅晶圓制造等。在每種場(chǎng)合中，這些系統(tǒng)均拓展了尖端信號(hào)處理技術(shù)的界限并要求 ppm 的準(zhǔn)確度。此類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)高度精細(xì)復(fù)雜，并內(nèi)置了寬動(dòng)態(tài)范圍傳感器、高階控制環(huán)路和最高性能的集成電路組件。

很多精準(zhǔn)型工業(yè)系統(tǒng)的核心部分都是一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。該 ADC 扮演著至關(guān)重要的角色，其負(fù)責(zé)把模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)以進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。ADC 的準(zhǔn)確度和性能常常決定了整體系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和性能。本文將討論突破性的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換性能是怎樣實(shí)現(xiàn)更高準(zhǔn)確度和更低成本的新一代工業(yè)系統(tǒng)。

精準(zhǔn)型工業(yè)系統(tǒng)要求

精準(zhǔn)型工業(yè)系統(tǒng)需要采用高分辨率 ADC 以對(duì)實(shí)際的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。模擬信號(hào)鏈路包括 ADC 和支持信號(hào)調(diào)理電路 (例如：放大器、濾波器和基準(zhǔn))，通常需要具備卓越的 DC 規(guī)格指標(biāo) (例如：偏移、增益和線性度)。

為了實(shí)現(xiàn) ppm 級(jí)的分辨率和準(zhǔn)確度，許多精準(zhǔn)型工業(yè)系統(tǒng)實(shí)施了數(shù)字校準(zhǔn)，旨在清除任何的系統(tǒng)級(jí)偏移和增益誤差。因此，系統(tǒng)準(zhǔn)確度經(jīng)常受限于那些無(wú)法利用偶爾校準(zhǔn)而加以抑制的誤差，而且系統(tǒng)設(shè)計(jì)師或許更加關(guān)注重要參數(shù)的潛在漂移，而不是其靜態(tài)值。例如：精準(zhǔn)型系統(tǒng)有可能不僅需要在某一固定溫度下?lián)碛? ppm 級(jí)的準(zhǔn)確度，而且還要求在很寬的工作溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)低于ppm/°C 的漂移準(zhǔn)確度。

對(duì)于整體系統(tǒng)準(zhǔn)確度來(lái)說(shuō)，ADC 的線性度是最讓人關(guān)切的。ADC 線性度由模擬輸入信號(hào)與 ADC 的內(nèi)部設(shè)計(jì)及架構(gòu)之間的復(fù)雜相互作用所決定。ADC 非線性誤差極其難以在系統(tǒng)級(jí)上進(jìn)行校準(zhǔn)，因?yàn)榇祟愓`差在各數(shù)字代碼之間差別迥異，而且還因?yàn)樗鼈兛赡苁菧囟鹊囊粋€(gè)強(qiáng)函數(shù)。整個(gè)溫度范圍內(nèi)的 ADC 線性度和穩(wěn)定性對(duì)于精準(zhǔn)型系統(tǒng)的總體準(zhǔn)確度是極為重要的。

突破性的性能

為了應(yīng)對(duì)這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，一個(gè)新的 20 位 SAR ADC 系列提供了前所未有的性能和準(zhǔn)確度水平，從而簡(jiǎn)化了高精度工業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。LTC2378-20 是一個(gè)引腳和軟件兼容型 SAR ADC 系列的旗艦產(chǎn)品，其具有高達(dá) 20 位的無(wú)漏失碼分辨率和高達(dá) 104dB 的信噪比 (SNR)，采樣速率范圍為 250ksps 至 2Msps。LTC2378-20 的 DC 精度尤其令人印象深刻：ADC 積分非線性 (INL) 誤差通常小于 0.5ppm，并且在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi) (-40°C 至 +85°C) 保證小于 2ppm (對(duì)于所有代碼)。最大偏移誤差為 13ppm (具 0.007ppm/°C 漂移)，增益誤差為 10ppm (具 0.05ppm/°C 漂移)。這種異乎尋常的性能水平是在非常低的操作功耗下實(shí)現(xiàn)的，功耗范圍從 5.3mW (在250ksps) 到 21mW (在 1Msps)。每款器件都可提供小型 MSOP-16 封裝和 DFN-16 封裝。圖 1 匯總了這個(gè)新的 ADC 系列。

圖 1：完整的 20 / 18 / 16 位引腳兼容型 SAR ADC 系列

SAR ADC 的特性

SAR ADC 的特征是其在模擬輸入信號(hào)時(shí)獲得精準(zhǔn)瞬像以及在單個(gè)時(shí)鐘周期之內(nèi)完成一項(xiàng)模數(shù)轉(zhuǎn)換操作的能力。SAR ADC 以執(zhí)行異步 “啟動(dòng)并運(yùn)行” 操作見(jiàn)長(zhǎng)，而且它們由于能夠在同一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)立即獲得轉(zhuǎn)換結(jié)果而具備了簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)。在沒(méi)有周期延遲的情況下產(chǎn)生準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換結(jié)果 (即使在經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的空閑周期之后也是如此) 的能力使得 SAR ADC 成為眾多精準(zhǔn)型應(yīng)用的理想選擇，包括傳感器、控制環(huán)路、數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備。其他類型的 ADC (例如：ΔΣ ADC 和流水線型 ADC) 則需要多個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)完成單個(gè)轉(zhuǎn)換。[!--empirenews.page--]

電路架構(gòu)

具 ppm 級(jí)保證線性度和準(zhǔn)確度的 LTC2378-20對(duì)于許多精準(zhǔn)型工業(yè)系統(tǒng)而言是一個(gè)具顛覆性的產(chǎn)品。LTC2378-20 采用一種專有架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，此架構(gòu)可確保線性度并最大限度地減弱其對(duì)于溫度和其他工作條件變化的敏感性。因此，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)保證了前所未有的 2ppm INL 規(guī)格指標(biāo)。

SAR ADC 算法基于二進(jìn)制搜索原理。把模擬輸入采樣至一個(gè)電容器，并與一個(gè)利用 SAR 算法選擇的基準(zhǔn)電壓之分?jǐn)?shù)進(jìn)行順序比較。SAR ADC 包括 3 個(gè)關(guān)鍵性組件：一個(gè)基于電容器的數(shù)-模轉(zhuǎn)換器 (CDAC)、一個(gè)快速低噪聲比較器電路和一個(gè)逐次逼近寄存器。傳統(tǒng) SAR ADC 的 INL 性能有可能受限于 CDAC 中個(gè)別電容器的有限匹配準(zhǔn)確度，而且很多高精度 SAR ADC 均采用模擬或數(shù)字修整方法以改善匹配準(zhǔn)確度。然而，當(dāng)溫度變化以及施加封裝和電路板應(yīng)力時(shí)，CDAC 電容器匹配準(zhǔn)確度總是會(huì)下降，并有可能限制 ADC 的線性度。

通過(guò)運(yùn)用一種專有架構(gòu) (該架構(gòu)使得 INL 不受 CDAC 電容器失配的影響)，LTC2378-20 實(shí)現(xiàn)了其最先進(jìn)的 INL 性能，從而使其擁有了針對(duì)嚴(yán)酷工業(yè)環(huán)境中所存在的那一類溫度變化和封裝應(yīng)力效應(yīng)的出色堅(jiān)固性。此外，還對(duì)比較器電路進(jìn)行了謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)以平衡速度、功率和噪聲指標(biāo)，最終使 LTC2378-20 實(shí)現(xiàn)了前所未有的 104dB 信噪比 (SNR) 以及僅 21mW 的功耗 (在 1Msps)，且并未引入任何的周期延遲。SAR ADC 系列的 LTC2378-20 之功耗與采樣速率成比例，所以當(dāng)它們工作在 1ksps 時(shí)功耗僅為微瓦級(jí)。

準(zhǔn)確度和速度

LTC2378-20 所實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確度水平以前只可通過(guò)使用速度低得多的 ADC 架構(gòu) (例如：ΔΣ ADC 或多斜率 ADC) 來(lái)獲得。高通道數(shù)自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備常常采用這種慢速 ADC 架構(gòu)以完成高精度 DC 測(cè)量，并利用多路復(fù)用器以使單個(gè)儀表能夠服務(wù)于多個(gè)輸入。ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)間通?？稍诤軐挼姆秶鷥?nèi)調(diào)節(jié)，以犧牲速度來(lái)提高分辨率。不過(guò)，當(dāng)采樣速率高于 100ksps 時(shí)，測(cè)量分辨率常常被限制在 16 位以下。LTC2378-20 每秒能獲取百萬(wàn)個(gè)讀數(shù)，每個(gè)讀數(shù)具有 2.3ppm 的噪聲分辨率 (噪聲的標(biāo)準(zhǔn)偏差，104dB SNR)?？刹捎脭?shù)字方式將同一模擬信號(hào)多個(gè)讀數(shù)的結(jié)果組合起來(lái)以改善噪聲分辨率，并產(chǎn)生超過(guò)多斜率 ADC 的性能。例如，通過(guò)對(duì) 10 個(gè)樣本塊進(jìn)行平均處理，LTC2378-20 實(shí)際上工作在 1Msps/10 = 100ksps 下，并具有一個(gè) 0.7ppm 的噪聲分辨率 (114dB SNR)。

ΔΣ ADC 和多斜率 ADC 可通過(guò)配置而在一個(gè)觀測(cè) / 積分周期中對(duì)一個(gè)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行平均處理，以抑制噪聲和干擾。通常采用一個(gè) 100ms 的觀測(cè)周期來(lái)同時(shí)抑制 50Hz 和 60Hz 線路頻率干擾，從而產(chǎn)生一個(gè)僅為 10sps 的吞吐速率。相應(yīng)地，當(dāng)采用一個(gè)多斜率 ADC 時(shí)，服務(wù)于 10 個(gè)多路復(fù)用通道將需要整整一秒鐘的時(shí)間。圖 2 示出了單個(gè)工作在 102.4ksps 采樣速率下的 LTC2378-20 ADC，其配置有一個(gè)多路復(fù)用電路，以在 100ms 的觀測(cè)周期內(nèi)同時(shí)測(cè)量所有 10 個(gè)信號(hào) (交錯(cuò)式)。在保持與 100ms 觀測(cè)周期相對(duì)應(yīng)的線路頻率干擾抑制的同時(shí)，吞吐速率有所增加，增加倍數(shù)為復(fù)用通道數(shù) (這里是 10 倍，但還可以更高)，從而大幅度提高了自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備的生產(chǎn)率。在此實(shí)例中，通過(guò)對(duì)在觀測(cè)周期中取自每個(gè)通道的 1024 個(gè)樣本進(jìn)行平均處理可增加噪聲分辨率，并提供 22 位的噪聲分辨率 (0.07ppm 或 70nVrms)。平均運(yùn)算可利用一個(gè)簡(jiǎn)單的加法器 (用可編程邏輯或處理器可輕松實(shí)現(xiàn)) 來(lái)完成。因此，LTC2378-20 顯著提升了測(cè)量速度，同時(shí)保持了先前架構(gòu)的重要優(yōu)勢(shì)。

圖 2：LTC2378-20 配置為在 100ms 的觀測(cè)周期內(nèi)對(duì) 10 個(gè)模擬輸入同時(shí)進(jìn)行讀取和平均操作

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由于單個(gè) LTC2378-20 器件有可能取代多斜率設(shè)計(jì)所需的多個(gè)分立組件，因而為平衡成本、電路板空間和通道數(shù)開(kāi)辟了一個(gè)頗具價(jià)值的設(shè)計(jì)自由度。利用一個(gè)或多個(gè) LTC2378-20 ADC 來(lái)替代一個(gè)多路復(fù)用儀表可縮減系統(tǒng)尺寸、降低功率、減少解決方案成本、并使速度提升至比傳統(tǒng)方法高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，由于該器件能夠以高達(dá) 1Msps 速率工作于其本機(jī)模式，如充當(dāng)一個(gè)奈奎斯特 (Nyquist) ADC，因此單個(gè) LTC2378-20 ADC 非常適用于那些有可能需要使用不止一種 ADC 的系統(tǒng)，比如：用一個(gè)多斜率 ADC 進(jìn)行高準(zhǔn)確度低噪聲測(cè)量，而用一個(gè) SAR ADC 來(lái)提高較低分辨率測(cè)量的速度。

簡(jiǎn)化并減少信號(hào)鏈路元件

使用高分辨率 ADC 能帶來(lái)一個(gè)有趣的好處：模擬信號(hào)鏈路的簡(jiǎn)化。較高分辨率的 ADC 可降低甚至免除增設(shè)模擬信號(hào)調(diào)理功能塊的需要。由于模擬部件常常產(chǎn)生非線性、漂移和其他誤差源，因此它們的減少甚至免除將使最終的系統(tǒng)設(shè)計(jì)既更加簡(jiǎn)單，也更加準(zhǔn)確。

寬動(dòng)態(tài)范圍傳感器通常與可變?cè)鲆娣糯笃髋鋵?duì)使用，以在傳感器的整個(gè)輸入范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)足夠的測(cè)量分辨率。例如：一個(gè)光學(xué)功率傳感器可能具有橫跨 6 個(gè)測(cè)量數(shù)量級(jí) (從 nW 到 mW) 的可用范圍。傳統(tǒng)的方法是采用一個(gè)對(duì)數(shù)放大器把高動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)調(diào)節(jié)至一個(gè)較低動(dòng)態(tài)范圍 ADC 的輸入范圍之中。增益在小輸入幅度時(shí)很高，并隨著輸入幅度的增加而滾降。這種方法的缺點(diǎn)是模擬對(duì)數(shù)功能部件會(huì)發(fā)生漂移，而且?guī)掚S輸入而變化。熱流量表是另一個(gè)傳統(tǒng)上需要可變?cè)鲆娴姆蔷€性傳感器實(shí)例。低熱流具有較高的靈敏度，因而導(dǎo)致測(cè)量指示需要較高的分辨率，而高熱流則具有較低的靈敏度和分辨率。LTC2378-20 在噪聲方面具有超過(guò) 5 個(gè)數(shù)量級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍，而且它提供了 6 位級(jí)的 DC 準(zhǔn)確度 (1ppm)，這對(duì)于直接對(duì)此類信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理是足夠了?？刹捎脭?shù)字信號(hào)處理方法來(lái)增加噪聲動(dòng)態(tài)范圍 (通過(guò)減小帶寬)，或?qū)崿F(xiàn)一種對(duì)數(shù)功能 (例如，數(shù)字代碼的簡(jiǎn)單右移或左移)，或者補(bǔ)償傳感器的非線性。

采用可編程增益放大器 (PGA) 和步進(jìn)衰減器是在具有一個(gè)低分辨率 ADC 的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)范圍的其他方法。自動(dòng)量程電壓表即為一例;該儀表在其最靈敏的量程中啟動(dòng)，并在輸入超過(guò)低量程限值時(shí)立即切換至一個(gè)較高的量程 (通常大 10 倍)。不過(guò)，在切換量程時(shí)將出現(xiàn)中斷。理想的情況是：一個(gè)輸入量程的 100% 應(yīng)精確地等于下一個(gè)較大量程的 10%，但實(shí)際上始終存在著一定的誤差。同樣，LTC2378-20 出色的線性和動(dòng)態(tài)范圍特性允許將多個(gè)量程組合起來(lái)，從而消除了因切換量程而引起的中斷現(xiàn)象。

控制系統(tǒng)

對(duì)于在混合模式控制系統(tǒng)中使用的 ADC 來(lái)說(shuō)，延遲是一項(xiàng)重要的參數(shù)，因?yàn)檫^(guò)多的延遲有可能導(dǎo)致不穩(wěn)定性。雖然市面上有線性度達(dá) ppm 級(jí)的 ΔΣ ADC 銷(xiāo)售，但它們只能在具有低調(diào)節(jié)帶寬的非常低速之控制系統(tǒng)中使用。LTC2378-20 的無(wú)周期延遲特性與其卓越的線性度相結(jié)合，可造就速度快得多且高度準(zhǔn)確的成本效益型混合模式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案?？刂葡到y(tǒng)的調(diào)節(jié)帶寬與其噪聲帶寬有關(guān)，而且它只是影響控制系統(tǒng)整體噪聲之 ADC 噪聲的帶內(nèi)部分。LTC2378-20 可提供 104dB SNR，在 1Msps 的采樣速率下，這意味著其 22.5µVrms 的輸入?yún)⒖荚肼晫?duì)應(yīng)一個(gè)僅 31.5nV/√Hz 的噪聲功率頻譜密度 (PSD)。相應(yīng)地，當(dāng)應(yīng)用于一個(gè)具 10kHz 調(diào)節(jié)帶寬的 1Msps 控制系統(tǒng)時(shí)，帶內(nèi)噪聲僅為 31.5nV/√Hz * √10kHz = 3.2µV，對(duì)應(yīng)于一個(gè) 121dB 的動(dòng)態(tài)范圍。在該例中，3.2µV 的噪聲分辨率與由非線性引起的不確定性 (僅為 ±0.5ppm*10V = ±5µV) 大致相同?？刂葡到y(tǒng)實(shí)際上在 1Msps/(2*10kHz) = 50 個(gè)樣本上進(jìn)行噪聲平均運(yùn)算，以實(shí)現(xiàn) ppm 級(jí)的噪聲和線性性能。不管平均運(yùn)算是采用一個(gè)數(shù)字濾波器 (控制器) 來(lái)完成、抑或是采用某個(gè)用于限制帶寬的模擬系統(tǒng)組件來(lái)完成，都不會(huì)對(duì)性能造成影響。圖 3 示出了一個(gè)混合模式控制系統(tǒng)，其中的帶寬部分地受限于飛輪的慣性。[!--empirenews.page--]

圖 3：混合模式控制系統(tǒng)

結(jié)論

精準(zhǔn)型工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)擁有了一種用于改善信號(hào)鏈路性能的新選擇。20 位 SAR ADC LTC2378-20 在高轉(zhuǎn)換速率 (1Msps) 和低功耗 (21mW) 下提供了前所未有的準(zhǔn)確度 (保證 INL 為 2ppm) 和低噪聲 (104dB SNR) 水平。高準(zhǔn)確度、低噪聲和無(wú)周期延遲特性的組合使 LTC2378-20 具有很高的通用性 (適合在高精度測(cè)量和控制系統(tǒng)中使用)，從而可實(shí)現(xiàn)高度準(zhǔn)確、靈活和具成本效益的新一代精準(zhǔn)型工業(yè)系統(tǒng)。