基于 SAR ADC 工业控制系统的系统的详细分析与优势

当今工业控制系统的设计目标在要求系统更快、更准确和更小的同时，还希望实现更低的功耗及更高的可靠性。此类系统的设计人员必须选择合适的组件以确保上述目标的实现。在工业控制系统中，核心组件之一就是模数转换器 (ADC)。

SAR ADC 的优势

系统设计人员可以选择的 ADC 有好几种，包括流水线型、增量-累加 (ΔΣ) 型和 SAR (逐次逼近寄存器) 型架构。这里我们不去深究每种 ADC 的工作原理，而是只关注一下在选择 ADC 时必须考虑的若干特性。流水线型 ADC 可提供非常快的转换时间、能以极低的失真对非常快的输入信号进行数字转换，但需吸收高电源电流，且具有不良的信噪比 (SNR) 和流水线延迟 (输入被采样的时刻与可提供数据的时刻之间的固定样本数量延迟)。SNR 欠佳的问题虽可利用求平均来克服，但这将以牺牲有效采样速率为代价。流水线延迟会损害数据的实时性，让控制环路的精细调谐变得困难。ΔΣ ADC 在要求高精度和低噪声的应用中表现优异，但其低采样速率则限制了其在接近 DC 应用中的使用。SAR ADC 可提供从几 MHz 到低至 DC 的转换速率范围，能够处理从 DC 至数十 MHz 的输入信号，并拥有上佳的 SNR 和低失真。SAR ADC 能以一种“按需”的方式进行采样，随后提供该数据 (没有任何的流水线延迟)，并为控制系统提供适时反馈，从而实现一个具良好瞬态响应的严密控制环路。

先进的 SAR ADC

凌力尔特公司推出的 LTC2379-18 标志着 SAR 型模数转换器的一项重大进步。LTC2379-18 是一款功耗仅 18mW 的 1.6Msps、18 位 SAR ADC，采用 16 引脚 MSOP 封装和 4mm x 3mm DFN 封装。LTC2379-18 使用一个 2.5V 工作电源，具有一个 ±2.5V 至 ±5.1V 的全差分输入范围 (由 VREF 设定)。凭借 < -115dB 的保证总谐波失真 (THD)、> 98dB 的信噪比、< 2LSB 的积分非线性 (INL)、无漏失码 (在 18 位) 以及在高达 125˚C 温度下得到保证的工作性能，LTC2379-18 提供了当今控制系统所需要的速度、准确度、低功耗和可靠性。

速度较高的 ADC 可测量较小的时间增量

新式系统所需的精细控制使得测量较小时间增量的能力成为不可或缺。这种在实时环路中测量较小时间增量的能力受限于 ADC 的最大采样速率。最大采样速率与 ADC 转换时间及采集时间之和呈逆相关。由于数据移出需要时间，因此通常都认为串行 ADC 的速度低于并行 ADC。就串行 ADC 而言，数据往往是在采集期间进行传送。如果数据传送时间少于采集时间，那么在转换时间和采集时间相似的情况下，串行 ADC 的最大采样频率并不比并行 ADC 慢。LTC2379-18 具有 200ns 的最小采集时间，这与 180ns 的最小数据传送时间近似相等，表明该器件专门针对最大采样频率进行了优化。

重要的是更高的准确度 (而并非仅仅是“位数”)

同样是对于更精细控制的需求还导致控制系统必需拥有更高的准确度。当从 16 位性能提升至 18 位性能时，重要是不能只把注意力放在“位数”上。不要被“以行销为目的的位数”宣传所蒙蔽。要确定 ADC 所拟订的规格中包括“整个温度范围内的无漏失码”。具有优良 SNR 的 ADC 可在进行测量时提供更大的噪声裕量，从而减低了对于求平均的要求。减少求平均可产生具较小延迟的控制环路，从而令控制环路的稳定性有所提升。DC 应用要求上佳的 INL 和 DNL 规格，而 AC 应用则需要良好的 THD 性能指标。图 1 中的 FFT 示出了 LTC2379-18 的典型性能，其中包括 101.2dB 的 SNR 及 -120dB 的 THD。
  

          

图 1：32k 点 FFT 显示了 LTC2379-18 的低失真及低噪声特性

小尺寸允许更多的通道

LTC2379-18 可兼容 SPI 标准，并能与 1.8V、2.5V、3.3V 和 5V 逻辑器件系列相连。图 2 中所示的一种菊链模式允许多个 LTC2379-18 共用 SPI 和 BUSY 线路，这在具有大量转换器的场合是有益处的，否则有可能使所需的信号数目不切实际。而且，当对来自几个通道的数据进行同步 (这是保持通道间的相位信息所必需的) 时，链接模式也是有用的。假如数字主机能够等待最大转换时间之后再起动数据传送，那么就可以免除 BUSY 线路，从而可把线路数目从 4 条进一步减少至 3 条。

图 2：LTC2379-18 的 CHAIN 模式允许多个 ADC 与主处理器进行通信 (仅采用 4 根导线)

低功耗降低了成本、简化了设计

由于控制系统变得越来越复杂、通道数目日益增多、而与此同时可用空间却在不断缩小，因此降低系统功率需求变得更加重要。除了削减运作成本之外，降低功率要求还可简化热管理。选择那些具内置电源管理功能的组件可使功耗的降低变得容易。比如：LTC2379-18 在一次转换操作之后会自动断电，因而在低采样速率下可实现更低的功耗。

单电源 ADC 常常具有一个从地电位至 VREF 的模拟输入范围。由于驱动器峰值空间要求的缘故，这意味着负责驱动 ADC 的驱动器需要一个至少比 Vref 高几百 mV 的电源电压和一个比地电位低几百 mV 的负电源。即使采用轨至轨驱动器情况也是如此，因为失真会随着输出接近正电源或负电源而增加。迄今为止，这意味着要么为保持低失真而采用单工作电源 (白白浪费靠近地和 V+ 的几千个代码)，要么采用分离型工作电源而付出功耗增加的代价。

LTC2379-18 提供了一种数字增益压缩功能，该功能可在采用一个介于 ±VREF 模拟输入电压的 10% 至 90% 之间的输入时实现一个零标度至全标度的 ADC 输出摆幅。对于一个 5V 基准，这意味着模拟输入范围为 0.5V 至 4.5V，同时仍然保持了所有 262,144 个输出代码，如图 3 所示。压缩模拟输入范围可为 ADC 驱动器提供更多高于地电位和低于正电源电压的空间。此项功能使得 LTC2379-18 缓冲器能够用单个电源来供电，从而实现了显著的节能。
 

图 3：LTC2379-18 数字增益压缩功能缩减了模拟输入范围，同时保持了完整的数字输出范围，从而实现单电源驱动器运作。

可靠性使产品合乎需要

可靠性是控制系统设计中最重要的目标之一。客户希望购买可靠的产品。增加噪声裕量、提供更准确的读数、减少信号线和电源的数目、较低的功耗及上佳的热管理均可提升系统的可靠性。选择高质量的组件 (包括 ADC) 也是同样重要的一环。应谨慎地确保诸如 INL、DNL、SNR 和 THD 等所有关键的 ADC 性能指标 (而不仅仅是典型规格) 均得到全面的保证。同样重要的是：规格指标应在系统必须运作的整个温度范围内予以保证。

单电源实例显现了 LTC2379-18 的优势

LT6350 可用于对大的真正双极信号 (其摆幅从低于地电位至 LTC2379-18 的 ±4V 差分输入范围) 进行缓冲和转换，并启用了数字增益压缩功能，旨在最大限度地扩展可进行数字转换的信号摆幅。如图 4 所示，LT6350 被用于转换一个 ±10V 的真正双极信号，以供 LTC2379-18 使用。在这种场合，LT6350 中的第一个放大器被配置为一个反相放大器级，其作用是对输入信号进行衰减并将其电平移位至 LTC2379-18 的 0.5V 至 4.5V 输入范围。在反相放大器配置中，输入阻抗由电阻器 RIN 设定。RIN 必须根据信号源的源阻抗谨慎地选择。当 LT6350 和 LTC2379-18 作为一个系统时，较高的 RIN 值往往会使其噪声和失真指标均有所下降。较低的 RIN 值则有可能让信号源难以驱动。LT6350 中第一个放大器输入端上的电阻器应仔细选择，以实现期望的衰减、共模输出电压并保持一个平衡的输入阻抗。图 4 中的电路具有一个 99dB 的 SNR 和一个 -95dB 的 THD。

图 4：LTC2379-18 和 LT6350 可接受一个 ±10V 的输入信号并采用单 6V 工作电源

概要

工业控制系统需要在时间和幅度两方面均进行较为精细的控制。此类系统的设计人员需要大量的通道，但必须了解空间和功率的限制条件以及对可靠性的需求。凭借高转换速率、上佳的 SNR、THD 和 INL 特性、及其“按需采样”的能力，SAR ADC 能帮助系统设计人员实现其目标。凌力尔特推出的 LTC2379-18、18 位 SAR ADC 具有 1.6Msps 转换速率、有保证的 98dB SNR、18mW功耗、允许多个 ADC 共用三条线路的链接模式、以及使其能够采用单电源放大器来驱动的独特数字增益压缩模式，因而对于高准确度系统的设计师而言是一种上佳的选择。