高性能、高魯棒性的ADC如何應(yīng)對(duì)現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
2023-10-4 9:21:25 點(diǎn)擊：
作者：Hakan Uenlue，ADI公司高級(jí)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師
本文介紹新一代多路復(fù)用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)如何提供更多通道、更深入的信號(hào)鏈集成、靈活性和魯棒性優(yōu)勢(shì)，以簡(jiǎn)化復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而支持在先進(jìn)工廠和生產(chǎn)設(shè)施中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和過(guò)程控制。
簡(jiǎn)介
在現(xiàn)代生產(chǎn)設(shè)施中，適當(dāng)?shù)哪M前端(AFE)對(duì)于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠、精密準(zhǔn)確的模數(shù)轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。由于不同系統(tǒng)和機(jī)器之間存在差異，通常情況下，可以使用可編程邏輯控制器(PLC)來(lái)控制許多復(fù)雜的參數(shù)。為此，將通過(guò)模擬輸入模塊來(lái)利用不同的傳感器和信號(hào)。許多傳感器（例如壓力、流量、溫度和稱(chēng)重量傳感器）提供代表所測(cè)參數(shù)量的模擬輸出。因此，需要許多精密準(zhǔn)確的模擬信號(hào)輸入來(lái)生成數(shù)字輸出。然而，模數(shù)轉(zhuǎn)換只是工作任務(wù)的一部分。生產(chǎn)設(shè)施中的節(jié)點(diǎn)、傳感器、模擬輸入模塊和PLC之間相互連接，生產(chǎn)環(huán)境中也充斥著電氣噪聲和其他干擾因素（如EMI）。因此，穩(wěn)定可靠的ADC對(duì)于在如此惡劣的條件下有效運(yùn)行至關(guān)重要。
新型多路復(fù)用ADC具有高集成度、高精度，高度靈活且穩(wěn)定可靠
PLC包含許多模擬電壓輸入，用以監(jiān)控其系統(tǒng)，因此通道數(shù)較多。
例如，可以使用具有11個(gè)單端輸入或6個(gè)帶緩沖器的差分輸入的ADC來(lái)實(shí)現(xiàn)高通道數(shù)。單端或差分輸入特性使其可以與不同傳感器輕松連接。此外，對(duì)于使用外部檢測(cè)電阻進(jìn)行電流測(cè)量的情況，將其中一些通道分配到較低輸入范圍非常有用。在現(xiàn)代多路復(fù)用ADC中，例如AD411x系列中的某些器件，此類(lèi)檢測(cè)電阻已集成到器件中。
AFE還集成了關(guān)鍵的無(wú)源元件，例如采用ADI公司iPassives?技術(shù)的高精度、低漂移、匹配的1 MΩ和10 MΩ分壓器，因此無(wú)需昂貴的外部元件。這樣，可以充分縮減解決方案的尺寸、重量和電路板空間，在實(shí)現(xiàn)更高密度的同時(shí)，空間利用也更加優(yōu)化。
圖1.新一代多路復(fù)用ADC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
新型多路復(fù)用ADC（例如AD4116）是一款低功耗、低噪聲、24位Σ-Δ型ADC，其中集成了極高阻抗AFE。圖1顯示了該器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)更高靈活性，輸入可以獨(dú)立配置。每種設(shè)置都允許用戶使能或禁用緩沖器，校正增益和失調(diào)，選擇濾波器類(lèi)型，選擇輸出數(shù)據(jù)速率(ODR)，以及選擇基準(zhǔn)電壓源。
靈活選擇不同的基準(zhǔn)電壓源，有助于輕松完成設(shè)計(jì)任務(wù)。這些多路復(fù)用ADC具有多種基準(zhǔn)電壓源選項(xiàng)，例如：內(nèi)部低漂移2.5 V電壓源，通過(guò)差分Ref+和Ref-引腳提供的外部基準(zhǔn)電壓源，或使用模擬電源(AVDD-AVSS)。對(duì)于外部基準(zhǔn)電壓源，此類(lèi)ADC的兩個(gè)基準(zhǔn)輸入端均有真正的軌到軌、集成精密單位增益緩沖器。這些緩沖器具有高輸入阻抗，使外部高阻抗信號(hào)源可以直接連接到這些輸入。
同樣，使用該ADC的用戶可以選擇時(shí)鐘源，例如內(nèi)部振蕩器、外部晶振或外部時(shí)鐘，這種靈活性可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程。
在模擬端，從外設(shè)接收外部電壓的輸入端是決定多路復(fù)用ADC穩(wěn)健性的關(guān)鍵因素。使用5 V單電源時(shí)，AD4116等現(xiàn)代多路復(fù)用ADC可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)±20 V的輸入范圍。該ADC甚至可以接受超出這些范圍的輸入電壓而不會(huì)損壞器件，因?yàn)槠浣^對(duì)最大額定值為±65 V。然而，在該輸入范圍內(nèi)，精度上可能會(huì)有所損失。TVS等外部保護(hù)器件（如圖2所示）可以在超出絕對(duì)最大額定值時(shí)保護(hù)ADC。在數(shù)字端，CRC校驗(yàn)增強(qiáng)了接口的穩(wěn)健性。
ADC輸入端的RC低通濾波器（如圖2所示）有助于抗混疊和噪聲濾波。重要的一點(diǎn)是，濾波電阻與ADC的輸入阻抗串聯(lián)放置。此電阻會(huì)影響內(nèi)部分壓比，導(dǎo)致增益誤差。不過(guò)，當(dāng)ADC的輸入阻抗非常高（例如10 MΩ）時(shí)，分壓誤差將非常小。例如，如果使用180 Ω，誤差僅為0.0018%左右。此外，該誤差可以通過(guò)系統(tǒng)校準(zhǔn)或調(diào)整增益設(shè)置來(lái)消除。前者可利用新型多路復(fù)用ADC提供的校準(zhǔn)模式來(lái)完成。這些現(xiàn)代ADC具有四種子校準(zhǔn)模式：內(nèi)部零電平、內(nèi)部滿量程、系統(tǒng)零電平和系統(tǒng)滿量程。
除校準(zhǔn)模式外，對(duì)于正常操作，還提供其他選項(xiàng)，包括連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、連續(xù)讀取模式或單次轉(zhuǎn)換模式。為了在功耗預(yù)算有限的系統(tǒng)中節(jié)省功耗，用戶還可以激活待機(jī)或關(guān)斷模式。
額外的集成功能
新型多路復(fù)用ADC的高集成度帶來(lái)了更大的靈活性，尤其是在典型的自動(dòng)化應(yīng)用中。例如，有四個(gè)集成通用輸入輸出(GPIO)引腳，其中兩個(gè)可配置為數(shù)字輸入或輸出，而另外兩個(gè)可以單獨(dú)配置為數(shù)字輸出(GPO)。這些GPIO或GPO引腳可用于控制額外的外部多路復(fù)用器。利用外部多路復(fù)用器可以進(jìn)一步增加通道數(shù)。另一個(gè)集成特性是可編程延遲模塊，它可以在ADC開(kāi)始采樣之前使能。此延遲可以使外部多路復(fù)用器或放大器穩(wěn)定下來(lái)。默認(rèn)情況下，新型ADC生成24位轉(zhuǎn)換結(jié)果。但是，轉(zhuǎn)換結(jié)果的寬度可以通過(guò)一個(gè)控制位減少到16位，以便簡(jiǎn)化某些微控制器的數(shù)據(jù)處理。
集成式溫度傳感器可以幫助監(jiān)控器件工作的環(huán)境溫度。它還可用于診斷目的，或者作為一個(gè)指標(biāo)來(lái)判斷應(yīng)用電路是否必須運(yùn)行校準(zhǔn)例程以補(bǔ)償工作溫度的可能變化。
圖2.典型連接圖
結(jié)論
新型多路復(fù)用ADC精度高且易于集成，可滿足現(xiàn)代生產(chǎn)設(shè)施和工業(yè)應(yīng)用對(duì)高性能和魯棒性日益增長(zhǎng)的需求。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)人員獲得了更大的靈活性，可以更快速輕松地滿足系統(tǒng)性能要求。
關(guān)于作者
本文介紹新一代多路復(fù)用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)如何提供更多通道、更深入的信號(hào)鏈集成、靈活性和魯棒性優(yōu)勢(shì)，以簡(jiǎn)化復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而支持在先進(jìn)工廠和生產(chǎn)設(shè)施中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和過(guò)程控制。
簡(jiǎn)介
在現(xiàn)代生產(chǎn)設(shè)施中，適當(dāng)?shù)哪M前端(AFE)對(duì)于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠、精密準(zhǔn)確的模數(shù)轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。由于不同系統(tǒng)和機(jī)器之間存在差異，通常情況下，可以使用可編程邏輯控制器(PLC)來(lái)控制許多復(fù)雜的參數(shù)。為此，將通過(guò)模擬輸入模塊來(lái)利用不同的傳感器和信號(hào)。許多傳感器（例如壓力、流量、溫度和稱(chēng)重量傳感器）提供代表所測(cè)參數(shù)量的模擬輸出。因此，需要許多精密準(zhǔn)確的模擬信號(hào)輸入來(lái)生成數(shù)字輸出。然而，模數(shù)轉(zhuǎn)換只是工作任務(wù)的一部分。生產(chǎn)設(shè)施中的節(jié)點(diǎn)、傳感器、模擬輸入模塊和PLC之間相互連接，生產(chǎn)環(huán)境中也充斥著電氣噪聲和其他干擾因素（如EMI）。因此，穩(wěn)定可靠的ADC對(duì)于在如此惡劣的條件下有效運(yùn)行至關(guān)重要。
新型多路復(fù)用ADC具有高集成度、高精度，高度靈活且穩(wěn)定可靠
PLC包含許多模擬電壓輸入，用以監(jiān)控其系統(tǒng)，因此通道數(shù)較多。
例如，可以使用具有11個(gè)單端輸入或6個(gè)帶緩沖器的差分輸入的ADC來(lái)實(shí)現(xiàn)高通道數(shù)。單端或差分輸入特性使其可以與不同傳感器輕松連接。此外，對(duì)于使用外部檢測(cè)電阻進(jìn)行電流測(cè)量的情況，將其中一些通道分配到較低輸入范圍非常有用。在現(xiàn)代多路復(fù)用ADC中，例如AD411x系列中的某些器件，此類(lèi)檢測(cè)電阻已集成到器件中。
AFE還集成了關(guān)鍵的無(wú)源元件，例如采用ADI公司iPassives?技術(shù)的高精度、低漂移、匹配的1 MΩ和10 MΩ分壓器，因此無(wú)需昂貴的外部元件。這樣，可以充分縮減解決方案的尺寸、重量和電路板空間，在實(shí)現(xiàn)更高密度的同時(shí)，空間利用也更加優(yōu)化。
圖1.新一代多路復(fù)用ADC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
新型多路復(fù)用ADC（例如AD4116）是一款低功耗、低噪聲、24位Σ-Δ型ADC，其中集成了極高阻抗AFE。圖1顯示了該器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)更高靈活性，輸入可以獨(dú)立配置。每種設(shè)置都允許用戶使能或禁用緩沖器，校正增益和失調(diào)，選擇濾波器類(lèi)型，選擇輸出數(shù)據(jù)速率(ODR)，以及選擇基準(zhǔn)電壓源。
靈活選擇不同的基準(zhǔn)電壓源，有助于輕松完成設(shè)計(jì)任務(wù)。這些多路復(fù)用ADC具有多種基準(zhǔn)電壓源選項(xiàng)，例如：內(nèi)部低漂移2.5 V電壓源，通過(guò)差分Ref+和Ref-引腳提供的外部基準(zhǔn)電壓源，或使用模擬電源(AVDD-AVSS)。對(duì)于外部基準(zhǔn)電壓源，此類(lèi)ADC的兩個(gè)基準(zhǔn)輸入端均有真正的軌到軌、集成精密單位增益緩沖器。這些緩沖器具有高輸入阻抗，使外部高阻抗信號(hào)源可以直接連接到這些輸入。
同樣，使用該ADC的用戶可以選擇時(shí)鐘源，例如內(nèi)部振蕩器、外部晶振或外部時(shí)鐘，這種靈活性可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程。
在模擬端，從外設(shè)接收外部電壓的輸入端是決定多路復(fù)用ADC穩(wěn)健性的關(guān)鍵因素。使用5 V單電源時(shí)，AD4116等現(xiàn)代多路復(fù)用ADC可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)±20 V的輸入范圍。該ADC甚至可以接受超出這些范圍的輸入電壓而不會(huì)損壞器件，因?yàn)槠浣^對(duì)最大額定值為±65 V。然而，在該輸入范圍內(nèi)，精度上可能會(huì)有所損失。TVS等外部保護(hù)器件（如圖2所示）可以在超出絕對(duì)最大額定值時(shí)保護(hù)ADC。在數(shù)字端，CRC校驗(yàn)增強(qiáng)了接口的穩(wěn)健性。
ADC輸入端的RC低通濾波器（如圖2所示）有助于抗混疊和噪聲濾波。重要的一點(diǎn)是，濾波電阻與ADC的輸入阻抗串聯(lián)放置。此電阻會(huì)影響內(nèi)部分壓比，導(dǎo)致增益誤差。不過(guò)，當(dāng)ADC的輸入阻抗非常高（例如10 MΩ）時(shí)，分壓誤差將非常小。例如，如果使用180 Ω，誤差僅為0.0018%左右。此外，該誤差可以通過(guò)系統(tǒng)校準(zhǔn)或調(diào)整增益設(shè)置來(lái)消除。前者可利用新型多路復(fù)用ADC提供的校準(zhǔn)模式來(lái)完成。這些現(xiàn)代ADC具有四種子校準(zhǔn)模式：內(nèi)部零電平、內(nèi)部滿量程、系統(tǒng)零電平和系統(tǒng)滿量程。
除校準(zhǔn)模式外，對(duì)于正常操作，還提供其他選項(xiàng)，包括連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、連續(xù)讀取模式或單次轉(zhuǎn)換模式。為了在功耗預(yù)算有限的系統(tǒng)中節(jié)省功耗，用戶還可以激活待機(jī)或關(guān)斷模式。
額外的集成功能
新型多路復(fù)用ADC的高集成度帶來(lái)了更大的靈活性，尤其是在典型的自動(dòng)化應(yīng)用中。例如，有四個(gè)集成通用輸入輸出(GPIO)引腳，其中兩個(gè)可配置為數(shù)字輸入或輸出，而另外兩個(gè)可以單獨(dú)配置為數(shù)字輸出(GPO)。這些GPIO或GPO引腳可用于控制額外的外部多路復(fù)用器。利用外部多路復(fù)用器可以進(jìn)一步增加通道數(shù)。另一個(gè)集成特性是可編程延遲模塊，它可以在ADC開(kāi)始采樣之前使能。此延遲可以使外部多路復(fù)用器或放大器穩(wěn)定下來(lái)。默認(rèn)情況下，新型ADC生成24位轉(zhuǎn)換結(jié)果。但是，轉(zhuǎn)換結(jié)果的寬度可以通過(guò)一個(gè)控制位減少到16位，以便簡(jiǎn)化某些微控制器的數(shù)據(jù)處理。
集成式溫度傳感器可以幫助監(jiān)控器件工作的環(huán)境溫度。它還可用于診斷目的，或者作為一個(gè)指標(biāo)來(lái)判斷應(yīng)用電路是否必須運(yùn)行校準(zhǔn)例程以補(bǔ)償工作溫度的可能變化。
圖2.典型連接圖
結(jié)論
新型多路復(fù)用ADC精度高且易于集成，可滿足現(xiàn)代生產(chǎn)設(shè)施和工業(yè)應(yīng)用對(duì)高性能和魯棒性日益增長(zhǎng)的需求。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)人員獲得了更大的靈活性，可以更快速輕松地滿足系統(tǒng)性能要求。
關(guān)于作者
Hakan Uenlue是ADI公司高級(jí)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。他擁有斯圖加特大學(xué)電氣和電子工程碩士學(xué)位。他于2015年加入ADI公司，在此之前曾擔(dān)任硬件開(kāi)發(fā)人員和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。
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