關(guān)鍵字:ADI 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器
SAR ADC的結(jié)構(gòu)、特性與重要指標(biāo)
ADI技術(shù)專家章新明首先講解有關(guān)逐次逼近型ADC(SAR ADC)基礎(chǔ)知識(shí),包括逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的架構(gòu)、算法、工作原理、逐次逼近型寄存器ADC的特點(diǎn),以及轉(zhuǎn)換器的高級(jí)規(guī)格,包括ADC和DAC的重要直流規(guī)格、分辨率、增益誤差、失調(diào)誤差、微分非線性(DNL)、積分非線性(INL)等性能參數(shù)的概念和校正方法。
與Σ-Δ型ADC不同,SAR ADC是由一個(gè)比較器和DAC通過逐次比較邏輯構(gòu)成,其轉(zhuǎn)換技術(shù)類似于利用一個(gè)天平將一個(gè)樣本與一系列重量經(jīng)過校準(zhǔn)的測(cè)試樣本進(jìn)行比較,通過增減測(cè)試樣本,利用分辨率誤差最小并輕于樣本的測(cè)試樣本來估算樣本的重量。其工作過程是從最大值MSB開始,按順序地對(duì)每一位輸入信號(hào)(VIN)與內(nèi)置高分辨率DAC輸出進(jìn)行比較,經(jīng)n次比較而輸出數(shù)字值。
逐次逼近型寄存器ADC的特點(diǎn)(優(yōu)缺點(diǎn)):1.逐次逼近型寄存器ADC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。它使用低壓CMOS (<3V),支持低功耗工作;2.常用于商業(yè)/工業(yè)及相關(guān)應(yīng)用。中等分辨率(12 至16 位);中等速度(100 kHz 至1 MHz);3.ADC線性度高度依賴于內(nèi)部DAC的精度。如果內(nèi)部DAC不是單調(diào)遞增,那么ADC本身就會(huì)存在失碼。
判斷ADC和DAC的性能,主要指標(biāo)包括如下六個(gè):分辨率、增益誤差、失調(diào)誤差、微分非線性(DNL)誤差、積分非線性(INL)誤差和失碼。增益誤差和失調(diào)誤差,類似于運(yùn)算放大器誤差。失調(diào)誤差會(huì)引起輸入/輸出關(guān)系在水平方向發(fā)生偏移,而增益誤差會(huì)引起輸入/輸出關(guān)系發(fā)生旋轉(zhuǎn)偏移。失調(diào)誤差和增益誤差均可消除。
除了分辨率或精度問題,另外兩個(gè)重要的靜態(tài)性能還包括微分非線性(DNL)和積分非線性(INL)。DNL和INL是兩個(gè)重要的直流指標(biāo),其測(cè)量方法主要是快速傅里葉變換。ADC的交流指標(biāo)包括:信噪比(SNR)/信納比(SINAD)、有效位數(shù)(ENOB)、全功率帶寬(FPBW)、采樣時(shí)鐘抖動(dòng)、高頻失真(THD)、交調(diào)失真(IMD)和無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)。其中,信納比和無雜散動(dòng)態(tài)范圍是最重要的兩個(gè)指標(biāo)。
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是信號(hào)處理必不可少的組成部分,在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域,運(yùn)動(dòng)控制和過程控制都離不開數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制而言,電機(jī)運(yùn)行的速度非??欤诉x用SAR ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;而對(duì)于慢速的過程控制,則通常選用Σ-Δ ADC來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于電機(jī)控制,一般12位ADC就能滿足要求;對(duì)于電力系統(tǒng)智能電表的應(yīng)用,則會(huì)用到14位、16位的ADC(電表動(dòng)態(tài)范圍為4000:1(0.01Ib~40Ib)時(shí),12位精度是要求的底線)。
ADI轉(zhuǎn)換器在工業(yè)領(lǐng)域中的主要應(yīng)用
技術(shù)業(yè)務(wù)經(jīng)理張松剛主講ADI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在工業(yè)與儀器儀表領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例。在ADI 2011財(cái)年的30億美元營收中,有超過三分之一是來自工業(yè)領(lǐng)域,遠(yuǎn)超其他終端市場(chǎng),其余依次是通信、消費(fèi)電子、汽車以及健康醫(yī)療領(lǐng)域。ADI產(chǎn)品線按照規(guī)模依次是轉(zhuǎn)換器、放大器/RF、信號(hào)處理和MEMS、DSP、電源管理六大類,貫穿整個(gè)信號(hào)鏈,其方案包括參考設(shè)計(jì)、SiP和SOC產(chǎn)品。
而在市場(chǎng)份額方面,在全球范圍內(nèi),ADI的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器市場(chǎng)份額高達(dá)49%,比其他幾家主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的總份額加起來還要多。張松剛介紹說,ADI的工業(yè)和儀器儀表部門涵蓋的領(lǐng)域非常廣,包括過程控制、電機(jī)控制、安防、儀器儀表、能源管理、樓宇技術(shù)、自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備、軍工、航天等等。其中,工業(yè)自動(dòng)化(過程、電機(jī)、安防和建筑)、儀器儀表(分析、特殊類)和能源(電力輸配、新能源、電表等)是ADI的三大主要市場(chǎng)。
張松剛闡述了過程控制、電網(wǎng)、儀器儀表、能源管理等領(lǐng)域的行業(yè)發(fā)展趨勢(shì),以及ADI產(chǎn)品為應(yīng)對(duì)行業(yè)新趨勢(shì)所帶來挑戰(zhàn)的應(yīng)對(duì)之道。張松剛表示,憑借高性能高可靠的集成解決方案,ADI在眾多工業(yè)領(lǐng)域有著大量的成功案例。比如,在中國的配輸電領(lǐng)域,ADI最先推出的AD7755計(jì)量芯片也是中國最早的智能電表的計(jì)量芯片,是目前唯一一顆單顆賣到2億顆的產(chǎn)品。現(xiàn)在,ADI已經(jīng)在覆蓋全程高中低壓,著重于輸配電領(lǐng)域。
從最早的AD7865到現(xiàn)在的AD7656、AD7606的,實(shí)際上反映了不同電力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同的要求。四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的ADI產(chǎn)品在成本、噪聲特性、和效率上都有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。
四種電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和ADI產(chǎn)品
關(guān)于智能電網(wǎng)未來趨勢(shì),張松剛表示,通訊是未來智能電表的發(fā)展方向。而在通訊方式上,不同地區(qū)會(huì)有不同選擇,日本、澳大利亞和美國關(guān)注的是RF無線,中國則更關(guān)注電力線載波,選擇何種技術(shù)主要取決于當(dāng)?shù)氐淖≌?、樓宇等環(huán)境特性。ADI的RF電表方案在美國加州已經(jīng)得到普遍應(yīng)用,在中國,由于競(jìng)爭(zhēng)比較激烈,所以ADI的PLC方案主要還是集中在幾家大的電表公司采用。
在新能源領(lǐng)域,太陽能逆變器的轉(zhuǎn)換技術(shù)是ADI的關(guān)注點(diǎn)。在智能電網(wǎng)的應(yīng)用中,對(duì)110KV以上的輸電網(wǎng)應(yīng)用而言,目前基本精度要求是12位轉(zhuǎn)換器,對(duì)于三相電網(wǎng)而言,要求16位多通道同步采樣轉(zhuǎn)換器。如ADI的AD7606就是16位8通道同步采樣轉(zhuǎn)換器,滿足高精度、多通道和高速轉(zhuǎn)換的要求。而對(duì)于66KV以下的配網(wǎng)而言,原先對(duì)轉(zhuǎn)換器的要求并不高,隨著配送系統(tǒng)的復(fù)雜度的增加,現(xiàn)在則越來越向輸電網(wǎng)要求看齊。