控制系统借助高性能数据转换取得进步

       引言

　　许多工业控制系统都通过采用精细复杂的高次控制环路来保持某种关键参数 (电气、机械、热力或液压) 的精准调节。在这个技术发展日新月异的时代，控制系统设计人员在实现其设计目标的过程中正面临着前所未有的挑战。系统必须比以往更快、更准确和更灵活，同时要把更多的功能集成到日趋缩小的外壳之中并消耗较少的功率。因此，人们需要那些不仅能够提升现有设计的性能水平、而且还可实现新功能的新型解决方案。很多工业控制系统的核心是一个模数转换器 (ADC)。在诸如电网监视器、光网络开关和生产机器人系统等系统中，ADC 起着非常重要的作用，可将关键信号从模拟转换为数字以进行数字信号处理。这种模数转换必须越来越多地以高分辨率、高速和低功耗来完成。

　　改善您的控制系统

　　不少控制系统设计人员均依靠逐次逼近型寄存器 (SAR) ADC 来对其至关紧要的模拟信号进行准确的数字化处理。从根本上说，SAR ADC 的特点在于其能够获得输入信号时域中的精准“瞬间状态”，并在单个时钟周期之内完成模数转换。由于输入在时域中的某个精确瞬间进行采样并可在同一个时钟周期之内立即获得结果，因此 SAR ADC 擅长于异步“启动-运行”式操作 (start-and-go operation)。SAR ADC 能快速而准确地产生转换结果，且即使在长久的空闲周期之后也没有周期延迟 (所谓“单触发”操作)，从而使其成为控制系统应用的理想选择。其他类型的 ADC (比如ΔΣ ADC和流水线型 ADC) 则需要多个时钟周期来完成单次转换，因而导致它们较难在控制系统中使用。

　　由于许多应用都要求多个控制环路在某个给定的系统中同时运作，所以 ADC 的占板面积和功率耗散也是很重要的考虑因素。例如，对于新式光网络开关而言，通道密度就是一个关键的卖点。这些系统常常采用小的低功率 SAR ADC，用于监视和控制各个光通道的输出功率级。因此，为了实现速度更快和响应性更好的控制系统，就需要采用具单触发准确度的高分辨率、高速和低功率 SAR ADC。

　　突破性的性能

　　凌力尔特公司近期推出了一个旨在解决上述重大难题的新型高性能 SAR ADC 系列。LTC2379-18 和 LTC2380-16 是一个引脚和软件兼容型 SAR ADC 系列中首批面市的产品，具有 101dB SNR (在 18 位) 和 96dB SNR (在 16 位)，采样速率为 250ksps 至 2Msps。这种性能是在保持低操作功耗的情况下实现的，功耗范围为 3.75mW (在 250ksps) 至 19mW (在 2Msps)。每款器件均可提供小型 MSOP-16 封装或 DFN-16 封装。表 1 列出了新型 ADC 系列的概要信息。

表 1：凌力尔特的 SAR ADC 系列

　　为了照顾那些负责评价和选择 ADC 的系统设计人员，本文将讨论几个与其在控制系统中使用相关的重要 SAR ADC 性能指标，以减少在控制系统及其他苛刻应用中选择最佳 ADC 时所涉及的不确定性。

　　控制系统要求

　　高分辨率控制系统需要使用高分辨率 ADC 来对输入信号进行较为精细的数字化处理，这是很自然的事。ADC 必须在尽量减少信号链路噪声的情况下完成转换操作。众所周知，可以通过对多次转换的结果进行求平均来降低 ADC 噪声，这种做法的代价是有效转换速率有所下降。低噪声 ADC 不仅提供了准确度和分辨率，而且还实现了较高的运作速度，从而改善了控制系统的响应时间。设计人员必须在分辨率、速度、噪声和功率要求之间进行权衡折衷，以实现系统的总体目标。

　　噪声

　　系统设计人员可以通过两种截然不同的规格指标来评价一个 SAR ADC 的噪声性能。就那些对具有动态 AC 成分的信号进行数字化处理的系统而言，信噪比 (SNR) 是一个有启迪作用的指标。SNR 越高，则 ADC 的基波信号与噪声层之间的动态范围就越大。低噪声 ADC 可为信号处理链路提供较大的噪声裕量，因而有助于放宽系统设计限制条件。图 1 示出了 LTC2379-18 的 FFT 曲线图，此器件是一款具有 101dB SNR 的 18 位、1.6Msps SAR ADC。该高速 SAR ADC 的极低噪声层在工业控制系统设计中提供了前所未有的灵活性和易用性。

图 1：LTC2379-18 的 FFT 曲线图 (工作于 18 位分辨率和 1.6Msps 采样速率)

　　对于那些主要负责调节静态 DC 信号的系统，转换噪声是一项有启发性的规格。当 ADC 输入被保持在一个固定电平时，转换噪声是散布在 ADC 输出端上的代码的一个直接度量指标。转换噪声越低，则 ADC 输出越稳定，从而可在采用较少平均处理的情况下提供准确的测量。图2 示出了 LTC2380-16 的转换噪声特性，该器件是一款 16 位、2Msps SAR ADC。当转换噪声低于 0.2LSB 时，将无需使用求平均来降低 ADC 输出中的不确定性，从而在高速条件下实现了真正的单触发操作。

图 2：LTC2380-16 的转换噪声曲线图 (工作于 16 位分辨率和 2Msps 采样速率)

         速度

　　由于影响晶体管级设计的许多因素相互抵触，因此设计人员常常需要在 ADC 噪声、速度及功耗等指标之间进行权衡取舍。相比于较高速度的 ADC，速度较低的 ADC 往往能够保持较低的操作噪声。在比较不同 SAR ADC 的相对速度时，有益的做法是：不仅要看产品规格中的标称采样速率，还应当了解保证的转换时间。对于那些采用串行外设接口 (SPI) 总线将转换结果传输至数字处理器的串行器件而言，尤其需要如此。串行 ADC 的标称吞吐量可以增加，但代价是用户不得不采用较高速度的数字接口。图 3 示出了具串行接口的无延迟 SAR ADC 的典型时序图。总周期时间由转换时间和采集时间构成。通常，串行数据传输在采集时间窗口中进行。对于一个给定的周期时间，较短的转换器时间可提供较长的串行数据传输窗口，从而降低所需的数字接口速度。当然，较短的转换时间还最大限度地缩减从采样时点至获得数字结果的延迟，这是控制系统的一个重要的考虑因素。因此，在比较不同串行 ADC 的相对速度时，建议您严密关注转换时间规格。

图 3：18 位串行 SAR ADC 的典型时序图

　　可靠性

　　除了性能规格之外，许多工业控制系统设计人员还必须为其产品保持很高的可靠性标准，因此要求所选择的主要组件 (包括 ADC) 具有高可靠性。对于重视质量意识的应用，需要针对全部主要性能规格 (例如：INL、DNL、SNR 和 THD)，选择具保证最少和最大规格限制值的ADC 是至关紧要。这些规格指标须在应用的整个工作温度范围内得到保证。如果上述主要参数仅在室温条件下或窄小的温度范围内提到保证，那么用户就必需特别谨慎。倘若设计缺乏坚固性，则高分辨率 SAR ADC 的内部单元式部件的指标就会随温度发生巨大的变化。假如所选的 ADC 未提供宽温度范围内的保证规格限值，将会给设计带来不必要的风险。

　　高效率解决方案

　　降低功耗是许多新式设计的重要目标，包括控制系统。除了低功耗所拥有的明显优点之外，很多系统还受限于热考虑以及将多余热量从狭窄外壳之内去除的能力。对于那些需要将几十或几百个通道集成到一块高密度电路板 (PCB) 之中的系统来说，情况尤为如此。因此，在选择 SAR ADC 时功耗和集成密度是两项重要的性能度量指标。

　　传统的高分辨率 SAR ADC 信号链路经常需要由分离电源供电的 ADC 驱动器放大器。对于一个 0V 至 5V 的信号摆幅，±6V 电源轨并不少见。在驱动器放大器甚至所谓的轨至轨输出放大器中，需要采用负电源来保持上佳的失真性能，这是因为输出晶体管必需在其两端保持一个最小电压以维持高线性度。这个增加的负电源轨不仅消耗功率，而且其产生以及在整个 PCB 上的布线十分麻烦。

　　面对这些限制条件，具功耗意识的设计一般通过衰减输入信号并仅使用全标度输入信号范围的一小部分来免除增设驱动器放大器负电源的需要。这种方法降低了对 ADC 驱动器放大器的输出摆幅要求。然而，由于只使用一小部分可用代码和输入信号范围，因此控制系统的有效分辨率有所降低。

　　数字增益压缩

　　为了克服上述的基本限制，LTC2379-18 和 LTC2380-16 系列配备了一种独特的数字增益压缩 (DGC) 功能，该功能免除了驱动器放大器的负电源并保持了 ADC 的完整分辨率。当被启用时，ADC 将执行一种数字定标 (digital scaling) 功能——把零标度代码从 0V 变换至 0.1*VREF，并把全标度代码从 VREF 变换至 0.9*VREF。对于 5V 的典型基准电压，全标度输入范围如今为 0.5V 至 4.5V，这为从单 6V 电源给驱动放大器供电提供了足够的储备空间。如图 4 所示，DGC 功能允许 ADC 产生包括零标度和全标度在内的所有代码 (例如：对于一个 18 位 ADC，共有218 = 262,144 个代码)，同时降低对 ADC 驱动器放大器的输出摆幅要求。图 5 示出了一个完整的信号链路，借助 LTC2379-18 的 DGC 功能，该链路可采用单 6V 电源以 1.6Msps 采样速率将一个工业 ±10V 真正双极信号数字化为一个 18 位代码。此电路在 LTC2379-18 的演示系统中实现，并获得了 99dB SNR 和超过 100dB THD。由于免除了驱动器放大器的负电源、并利用了 ADC 的完整范围及分辨率，因而提供了一款适合新式工业控制系统的独特解决方案。

图 4：数字增益压缩 (DGC) 功能从单电源驱动器放大器实现了零标度和全标度代码

图 5：完整的单 6V 电源信号链路采用 LTC2379-18 的数字增益压缩 (DGC) 功能对一个工业 ±10V 真正双极信号进行数字转换

　　结论

　　总之，高分辨率、高速和低功率 SAR ADC 很适合解决新式工业控制系统的难题。此类器件近期在速度、噪声和功耗方面所取得的改进将造就以往无法实现的创新型系统设计。凌力尔特公司的 LTC2379-18 和 LTC2380-16 是一个引脚和软件兼容型 SAR ADC 系列中首批面市的产品，具有 101dB SNR (在 18 位) 和 96dB SNR (在 16 位)，采样速率为 250ksps 至 2Msps。其超低的噪声和低功耗特性、再加上实现了单电源驱动器放大器运作的独特数字增益压缩 (DGC) 功能，使得这些新型 SAR ADC 器件非常适合于那些要求最优性能的高集成度控制系统设计。