正在加快的工业自动化的进程对工业系统在实时控制能力上提出了更高的要求。例如一台热成像仪需要灵敏侦测到过热事件并立刻做出响应,电网基础设施需要随时防止负载出现故障,一台电能质量分析仪需要具备即时响应的过流保护来防止受损,一台精密的等离子切割机要能够快速控制和调整来提高蚀刻精度,而源测量单元需要实现快速、高精度的测量来进行精确测试。


通常,工业设备中数据采集系统的模拟前端AFE通过数字控制环路来实现实时控制,而信号链处理能否具备超低延迟性则成为控制速度的关键。TI高速数据转换器产品线经理Matthew Hann认为,就满足安全性、可靠性、精度和效率四个方面而言,工业系统的控制速度在纳秒级,在AFE的接收环节中,ADC(模数转换器)发挥着关键的作用。

 

“工业信号采集设计的挑战在于系统需要能够准确监控电压和电流的快速变化并对其作出响应,需要更高的动态范围使系统能够检测低电平信号,从而提高信号采集的精度。”Matthew Hann说,“但在改善噪声性能的同时不能增加功耗,并且要将更多的通道和功能集成到更小的布板空间内。此外,处理器配置和滤波器设计会增加系统成本并需要数周的开发时间。”


针对上述这些工业设计中实现高精度数据采集的需求,TI不久前推出了逐次逼近寄存器 (SAR) ADC3660系列,该系列包括八款分辨率为 14、16 和 18 位、采样速度为10-125MSPS。在响应速度上,ADC3660系列在类似速度下(包括SAR和流水线架构)的延迟比同类器件低80%。例如,系统设计人员使用125MSPS、14位、双通道 ADC3664,可实现一个时钟 (8ns) 的ADC延迟。这一超低延迟的特性,使工业系统中的高速数字控制环路能够更准确地监控电压和电流峰值并对其作出响应,从而提高在半导体制造等应用场景中的工具精度。


目前,在工业系统设计中,低噪声性能和低功耗往往不能两全其美。对于设计需要精确数据采集的电池供电器件的工程师来说,这是一个特别困难的决定。ADC3660系列解决了这一痛点。以18位、65MSPS 的ADC3683为例,可提高便携式国防无线电等窄带频率应用的噪声性能,它可提供84.2dB的信噪比(SNR)和-160dBFS/Hz的噪声频谱密度,同时保持每通道94mW的低功耗。另一款14位、10MSPS的ADC3541的总功耗为36mW,可简化热管理并延长GPS接收器或手持电子设备等功率敏感型应用的电池寿命。而16位、65MSPS的ADC3660则可提供82dBFS SNR,从而提高声纳应用中的图像分辨率,而且功耗比同类器件低65%(每通道71mW)。


一些集成特性和高采样频率使得ADC3660系列在应用中减少了数据采集系统设计的元件数量,降低了设计复杂度。例如,ADC3683在两倍的通道密度下,实现比同类18位器件快四倍的采样率。该器件还支持一种将所需信号的谐波推往更高频率的过采样技术,这使设计人员能够降低抗混叠滤波器的复杂性并减少75%的系统元件数量。


在高精度和高采样速度间取得平衡,需要原厂在定义一个新的产品时了解客户的需求。“我们的生活环境里,越来越多的应用场景需要准确且快速。如果你可以很快地反应,并且可以去截取非常精准非常微小的讯号,同时还能使功耗降低,那就可以去实现产品创新,并开发更多可能的应用。”Matthew Hann说,“ADC3660系列可以应用在很多的产品上,如雷达、工厂自动化或者是电厂的安全监控跟保护,甚至是电机控制。”


ADC3660系列具有一个集成式数字滤波器,因此工业应用可利用这一过采样和抽取设计技术来降低对外部模拟滤波器的要求。通过片上抽取选项,设计人员可通过该选项去除系统中不需要的噪声和谐波,并将SNR和无杂散动态范围提高至15dB。这些抽取选项以及互补CMOS接口支持设计人员搭配使用这些ADC与基于Arm的处理器或DSP,而不必使用FPGA,从而降低了系统成本。与Δ-Σ转换器相似,得益于较高的过采样率和集成式数字滤波功能,这些ADC也放宽了对模拟滤波器的限制。复频混频器还可以去除模拟混频级,从而进一步简化了AFE信号链。


另一个可简化设计的特性基于将计算功能从处理器迁移到ADC来实现,由于带有复杂数控振荡器,ADC3660减少了所需的处理器资源,而这些节省出来的资源可以用于其他任务,增加了系统功能。“我们可以通过后期编程去截取想要传递的资料,穿过你的界面到FPGA。这样的好处是可以大大的减少数据库。数据平行地送过去,或者8条线或者4条线。”Matthew Hann说,“如果你的数据库越少,需要处理的资料量就越少,相对地就可以大大地降低花在处理输入数据的时间,如此也可以花更多时间在想要进行处理的事情上面,这是一种很好的特性。我们希望利用ADC3660系列的创新设计架构以及先进集成特性来实现我们的设计。”