這篇文章主要介紹了為需要多路復用的高分辨率ADC功能的應用實現(xiàn)前所未有的成本和性能。本文討論了傳統(tǒng)的SAR方法，并介紹了新的高通量delta-sigma架構，例如失真性能和動態(tài)非線性性能。

 

ADC的基本要求始終圍繞分辨率，精度和帶寬。選擇ADC時必須考慮的其他重要考慮因素是信噪性能，失真和等待時間。許多應用需要ADC的快速響應能力，以便處理來自各種傳感器的高頻或連續(xù)讀數(shù)。在ADC內有效多路復用多個信號的能力變得越來越重要。這是由于對在同一設備中處理多個模擬輸入的需求不斷增長，例如設計能夠在生產環(huán)境中同時監(jiān)視和集成來自多個傳感器的實時輸入的PLC。

 

當然，在選擇任何組件時必須考慮的其他要求包括設備本身的成本以及確保其在整個設計中正常運行所需的任何支持電路的成本。對于ADC而言，這可能是一個特別重要的問題，尤其是在高性能多路復用環(huán)境中使用時，這是因為所需的支持電路可能會根據(jù)所選ADC的類型而有很大不同。例如，如果ADC架構本身并不能提供出色的噪聲抑制和測量精度，則可能需要對電路進行過度設計才能達到性能目標。在這方面，由于板級空間，與設計輸入緩沖器相關的成本和功耗要求可能會迅速超過SAR本身的低功耗規(guī)格。所有這些因素在經濟有效地實現(xiàn)設計目標中都起著至關重要的作用。

 

傳統(tǒng)的SAR方法

 

傳統(tǒng)上，上面提到的高性能應用程序的類型是使用SAR體系結構圍繞ADC設計的，該體系結構在連續(xù)的時間點提供一系列數(shù)據(jù)的“快照”。SAR通常針對需要快速響應和低延遲的應用。但是，由于SAR設備對噪聲敏感并且具有相對較低的DNL性能，因此對大量支持電路的需求通常會提高基于SAR的設計的總體成本和復雜性。

 

相比之下，傳統(tǒng)上使用Delta-Sigma架構的ADC能夠提供出色的DNL和噪聲性能，并允許復雜得多的支持電路。直到最近，Delta-Sigma ADC還沒有被認為適合用于需要低延遲和高轉換率以實現(xiàn)寬信號帶寬的高性能應用。但是，正如本文余下的測試數(shù)據(jù)所說明的那樣，這種“常規(guī)智慧”不再成立。

 

引入新的高通量Delta-Sigma架構

 

隨著新的高吞吐量數(shù)據(jù)轉換器CS556x / 7x / 8x系列的推出，Cirrus Logic從根本上擴展了系統(tǒng)設計人員可以使用的選件范圍。整個產品系列由16位和24位ADC器件組成，基于先進的高通量Delta Sigma架構構建，該架構旨在以最高200 kSps的速率完全滿足每次轉換的要求。這提供了比SAR設備可比或更好的高響應，低延遲性能，因此使新的高吞吐量Delta-Sigma設備成為傳統(tǒng)上需要SAR的應用中經濟高效的替代產品的理想選擇。

 

單周期延遲

 

過去，Delta-Sigma型ADC一直專注于對諸如溫度傳感器和磅秤稱重傳感器等緩慢變化的信號進行最高分辨率的測量。由于噪聲抑制對于在嘈雜的數(shù)字環(huán)境中獲得測量精度至關重要，因此設計人員已經習慣于看到長的“ sinc”型數(shù)字濾波器，這些濾波器具有出色的線頻率干擾抑制能力，例如50和60 Hz的線頻率及其諧波。這些濾波器易于實現(xiàn)，占用最小的管芯面積，并具有出色的噪聲性能。然而，這種濾波器趨向于相當長（在傳送輸出字之前處理輸入信號所需的大量轉換周期），因此響應于輸入變化很慢。例如，

Delta-Sigma ADC的CS556x / 7x / 8x ADC平面FIR濾波器SAR性能

 

另一個重要功能是按需轉換的能力（另一個SAR功能）。這種功能使這些設備非常適合進行異步測量，這在生產環(huán)境中通常是必需的。這樣就可以協(xié)調轉換與特定事件的轉換，例如將流量與脈沖或其他傳感器輸入同步。此外，運行雙極性電源時，可以使用真正的雙極性輸入。當前的工業(yè)產品采用單電源供電（僅+5 V），并且需要一個電平轉換器將雙極性信號向上移動到地面以上，這會給系統(tǒng)誤差預算帶來額外的增益和失調誤差。

 

緩沖輸入具有許多優(yōu)勢

 

正如已經討論過的，SAR型轉換器提出了許多設計挑戰(zhàn)。在模擬信號輸入端，這種情況最明顯。在模擬信號輸入端，設計人員必須嚴格注意元件的選擇和電路布局，以便在面對多個噪聲源的情況下獲得為轉換器指定的測量精度。考慮到由于SAR架構中使用的高速比較器以及設備內部快速變化的數(shù)字電路，SAR轉換器本身可能會成為主要的噪聲發(fā)生器，所以即使對于最有經驗的人來說，這通常也不是一件容易的事，而且也是一項艱巨的任務系統(tǒng)設計師。

 

革命性設計-擁有悠久的卓越歷史

 

還需要注意的是，這種新的高通量Delta-Sigma器件系列來自一家供應商，該供應商以其在廣泛范圍內開發(fā)高精度模擬和混合信號集成電路（IC）的專業(yè)知識而享譽全球。消費和工業(yè)市場。Cirrus Logic廣泛的產品組合已經包括用于消費類，專業(yè)和汽車娛樂應用的模擬和混合信號音頻IC，以及用于工業(yè)應用的高精度模擬和混合信號IC，例如工業(yè)測量，分析儀器，消費者公用事業(yè)，數(shù)字功率計和地震系統(tǒng)。

 

典型應用場景

 

高分辨率和不受限制的信號帶寬的結合使設計人員能夠根據(jù)其特定的應用要求對信號進行噪聲處理和濾波。在適用的情況下，這甚至可以包括自適應過濾，其中系統(tǒng)可以動態(tài)修改其過濾器以適應不斷變化的環(huán)境，從而提供以前無法用于高分辨率測量應用程序的新功能。

 

受這項新技術影響最激動人心的應用領域之一是PLC和過程控制系統(tǒng)的嵌入式功能設計。近年來，工業(yè)自動化環(huán)境已越來越重視分散控制，它使用緊湊的多功能解決方案，這些解決方案可適應處理各種實時傳感器輸入以及嵌入式智能和閉環(huán)響應性，以實現(xiàn)本地決策循環(huán)。在太多情況下，不良的DNL性能，噪聲特性以及對額外支持電路的需求，限制了SAR用于實現(xiàn)下一代模塊化PLC的可用性。