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工業(yè)設(shè)計(jì)中的實(shí)時(shí)控制和高精度數(shù)據(jù)采集
工業(yè)設(shè)計(jì)中的實(shí)時(shí)控制和高精度數(shù)據(jù)采集
德州儀器 (TI) 擴(kuò)展了其高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器系列，新增了 8 個(gè)逐次逼近寄存器 (SAR) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 系列，可在工業(yè)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集。針對(duì)工業(yè)系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)控制挑戰(zhàn)，ADC3660 SAR ADC 具有 14 位、16 位和 18 位分辨率，采樣速度范圍為 10 至 125 MSPS，聲稱可將功耗降低 65%，并將延遲降低 80%。競(jìng)爭(zhēng)設(shè)備。
在新聞發(fā)布會(huì)上，TI 高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品線經(jīng)理 Matt Hann 強(qiáng)調(diào)了工業(yè)系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)控制的需求，因此新型 ADC 3660 不僅在實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域具有重要意義而且在精度和高速領(lǐng)域也是如此。
到目前為止，設(shè)計(jì)工業(yè)系統(tǒng)的工程師不得不在噪聲和低功耗方面的各種折衷方案之間做出選擇——對(duì)于那些設(shè)計(jì)需要精確數(shù)據(jù)采集的電池供電設(shè)備的人來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)特別困難的決定。Hann 指出，ADC3660 系列旨在通過(guò) 8 個(gè)分辨率為 14、16 和 18 位、采樣率范圍為 10 至 125 MSPS 的 SAR ADC 來(lái)解決這些權(quán)衡問(wèn)題。
實(shí)時(shí)數(shù)字控制
提高高速數(shù)據(jù)管理的準(zhǔn)確性滿足了對(duì)實(shí)時(shí)控制不斷增長(zhǎng)的工業(yè)需求。在這里，ADC 在一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)中起作用，以響應(yīng)快速的電壓或電流變化，并有助于防止對(duì)電源管理系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件造成代價(jià)高昂的損壞。
“當(dāng)你談到實(shí)時(shí)控制時(shí)，你會(huì)想到一些即時(shí)的東西，”Hann 說(shuō)。“因此，在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，通常需要在高精度和速度很重要的地方進(jìn)行快速控制，例如在熱像儀、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、電能質(zhì)量分析儀等中。”
圖 1：通過(guò)數(shù)字控制回路實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制
如圖1所示，在數(shù)字控制中，實(shí)際上有四個(gè)關(guān)鍵部分。我們?cè)?span> Rx 鏈中有一個(gè)模擬電路鏈，它將數(shù)據(jù)傳送到 ADC，并由 FPGA、實(shí)時(shí) MCU 甚至 DSP 處理。并且該信息作為反向過(guò)程由 DAC 獲取并轉(zhuǎn)換回負(fù)載。“發(fā)生這種情況所需的總時(shí)間是通過(guò)我們所說(shuō)的延遲來(lái)衡量的，”Hann 說(shuō)。“因此，在過(guò)去，只有模擬控制器才能實(shí)現(xiàn)低延遲。因?yàn)槟灰欢〞?huì)受到 ADC 采樣率甚至 ADC 噪聲的限制，從而進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。”
TI 的新型 ADC 提供納秒級(jí)延遲，不僅提供實(shí)時(shí)控制，還提供設(shè)計(jì)靈活性。“讓數(shù)字控制器變得靈活的是 ADC3664 的可編程性”。
Hann 說(shuō)，實(shí)時(shí)可調(diào)性和可編程性使最終設(shè)計(jì)人員能夠通過(guò)簡(jiǎn)單地更改軟件中的幾個(gè)參數(shù)來(lái)定制可以適應(yīng)多種應(yīng)用的系統(tǒng)。“這為最終設(shè)計(jì)帶來(lái)了靈活性，并為最終客戶節(jié)省了大量成本。”
SAR ADC
Hann 重點(diǎn)介紹了新 ADC 系列中的一些器件，這些器件由 8 個(gè)采用單通道或雙通道配置的引腳對(duì)引腳兼容器件組成，14 位、16 位和 18 位分辨率等級(jí)從 10 到 125 MSPS . 根據(jù)不同的設(shè)備，該系列可以以最低的功耗提供實(shí)時(shí)控制延遲降低多達(dá) 80% 和一流的動(dòng)態(tài)范圍，以及使設(shè)計(jì)變得非常簡(jiǎn)單的集成功能和高采樣頻率，他說(shuō)。
“ADC3683 是 65 兆樣本 18 位，可提高窄帶頻率應(yīng)用中的噪聲性能，例如 SNR 為 84.2 dB 和噪聲頻譜密度為 –160 dBFS/Hz 的便攜式國(guó)防無(wú)線電。此外，它消耗的功率更少，每通道 94 mW”。
圖 2：ADC3683 的框圖
ADC3664 是另一種變體，可提供低延遲（一個(gè)時(shí)鐘，8 ns）并有助于保護(hù)關(guān)鍵組件并提高半導(dǎo)體制造系統(tǒng)等應(yīng)用中的工具精度。
該系列的超低延遲使各種工業(yè)系統(tǒng)中的高速數(shù)字控制回路能夠更準(zhǔn)確地監(jiān)控和響應(yīng)電壓和電流尖峰，從而提高半導(dǎo)體制造系統(tǒng)等應(yīng)用中的工具精度。
ADC3660 系列的高采樣率和集成特性可幫助設(shè)計(jì)人員減少其系統(tǒng)中的組件數(shù)量。例如，ADC3683 允許過(guò)采樣，從而使諧波遠(yuǎn)離所需信號(hào)。這使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒖够殳B濾波器的復(fù)雜性和系統(tǒng)中組件的數(shù)量減少多達(dá) 75%。
降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性的其他系列功能包括片上抽取選項(xiàng)，使設(shè)計(jì)人員能夠輕松去除系統(tǒng)中不需要的噪聲和諧波，并將 SNR 和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍提高多達(dá) 15 dB。這些抽取選項(xiàng)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 接口允許設(shè)計(jì)人員將這些 ADC 與基于 ARM 的處理器或數(shù)字信號(hào)處理器一起使用，而不是現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，這有助于降低系統(tǒng)成本。