控制系统借助高性能数据转换取得进步

　　速度

　　由于影响晶体管级设计的许多因素相互抵触，因此设计人员常常需要在 ADC 噪声、速度及功耗等指标之间进行权衡取舍。相比于较高速度的 ADC，速度较低的 ADC 往往能够保持较低的操作噪声。在比较不同 SAR ADC 的相对速度时，有益的做法是：不仅要看产品规格中的标称采样速率，还应当了解保证的转换时间。对于那些采用串行外设接口 (SPI) 总线将转换结果传输至数字处理器的串行器件而言，尤其需要如此。串行 ADC 的标称吞吐量可以增加，但代价是用户不得不采用较高速度的数字接口。图 3 示出了具串行接口的无延迟 SAR ADC 的典型时序图。总周期时间由转换时间和采集时间构成。通常，串行数据传输在采集时间窗口中进行。对于一个给定的周期时间，较短的转换器时间可提供较长的串行数据传输窗口，从而降低所需的数字接口速度。当然，较短的转换时间还最大限度地缩减从采样时点至获得数字结果的延迟，这是控制系统的一个重要的考虑因素。因此，在比较不同串行 ADC 的相对速度时，建议您严密关注转换时间规格。

图 3：18 位串行 SAR ADC 的典型时序图

　　可靠性

　　除了性能规格之外，许多工业控制系统设计人员还必须为其产品保持很高的可靠性标准，因此要求所选择的主要组件 (包括 ADC) 具有高可靠性。对于重视质量意识的应用，需要针对全部主要性能规格 (例如：INL、DNL、SNR 和 THD)，选择具保证最少和最大规格限制值的ADC 是至关紧要。这些规格指标须在应用的整个工作温度范围内得到保证。如果上述主要参数仅在室温条件下或窄小的温度范围内提到保证，那么用户就必需特别谨慎。倘若设计缺乏坚固性，则高分辨率 SAR ADC 的内部单元式部件的指标就会随温度发生巨大的变化。假如所选的 ADC 未提供宽温度范围内的保证规格限值，将会给设计带来不必要的风险。

　　高效率解决方案

　　降低功耗是许多新式设计的重要目标，包括控制系统。除了低功耗所拥有的明显优点之外，很多系统还受限于热考虑以及将多余热量从狭窄外壳之内去除的能力。对于那些需要将几十或几百个通道集成到一块高密度电路板 (PCB) 之中的系统来说，情况尤为如此。因此，在选择 SAR ADC 时功耗和集成密度是两项重要的性能度量指标。

　　传统的高分辨率 SAR ADC 信号链路经常需要由分离电源供电的 ADC 驱动器放大器。对于一个 0V 至 5V 的信号摆幅，±6V 电源轨并不少见。在驱动器放大器甚至所谓的轨至轨输出放大器中，需要采用负电源来保持上佳的失真性能，这是因为输出晶体管必需在其两端保持一个最小电压以维持高线性度。这个增加的负电源轨不仅消耗功率，而且其产生以及在整个 PCB 上的布线十分麻烦。

　　面对这些限制条件，具功耗意识的设计一般通过衰减输入信号并仅使用全标度输入信号范围的一小部分来免除增设驱动器放大器负电源的需要。这种方法降低了对 ADC 驱动器放大器的输出摆幅要求。然而，由于只使用一小部分可用代码和输入信号范围，因此控制系统的有效分辨率有所降低。

　　数字增益压缩

　　为了克服上述的基本限制，LTC2379-18 和 LTC2380-16 系列配备了一种独特的数字增益压缩 (DGC) 功能，该功能免除了驱动器放大器的负电源并保持了 ADC 的完整分辨率。当被启用时，ADC 将执行一种数字定标 (digital scaling) 功能——把零标度代码从 0V 变换至 0.1*VREF，并把全标度代码从 VREF 变换至 0.9*VREF。对于 5V 的典型基准电压，全标度输入范围如今为 0.5V 至 4.5V，这为从单 6V 电源给驱动放大器供电提供了足够的储备空间。如图 4 所示，DGC 功能允许 ADC 产生包括零标度和全标度在内的所有代码 (例如：对于一个 18 位 ADC，共有218 = 262,144 个代码)，同时降低对 ADC 驱动器放大器的输出摆幅要求。图 5 示出了一个完整的信号链路，借助 LTC2379-18 的 DGC 功能，该链路可采用单 6V 电源以 1.6Msps 采样速率将一个工业 ±10V 真正双极信号数字化为一个 18 位代码。此电路在 LTC2379-18 的演示系统中实现，并获得了 99dB SNR 和超过 100dB THD。由于免除了驱动器放大器的负电源、并利用了 ADC 的完整范围及分辨率，因而提供了一款适合新式工业控制系统的独特解决方案。

图 4：数字增益压缩 (DGC) 功能从单电源驱动器放大器实现了零标度和全标度代码

图 5：完整的单 6V 电源信号链路采用 LTC2379-18 的数字增益压缩 (DGC) 功能对一个工业 ±10V 真正双极信号进行数字转换

　　结论

　　总之，高分辨率、高速和低功率 SAR ADC 很适合解决新式工业控制系统的难题。此类器件近期在速度、噪声和功耗方面所取得的改进将造就以往无法实现的创新型系统设计。凌力尔特公司的 LTC2379-18 和 LTC2380-16 是一个引脚和软件兼容型 SAR ADC 系列中首批面市的产品，具有 101dB SNR (在 18 位) 和 96dB SNR (在 16 位)，采样速率为 250ksps 至 2Msps。其超低的噪声和低功耗特性、再加上实现了单电源驱动器放大器运作的独特数字增益压缩 (DGC) 功能，使得这些新型 SAR ADC 器件非常适合于那些要求最优性能的高集成度控制系统设计。