工业设计中的实时控制和高精度数据采集

2021-06-11

工业设计中的实时控制和高精度数据采集

德州仪器 (TI) 扩展了其高速数据转换器系列，新(xīn)增了 8 个逐次逼近寄存器 (SAR) 模数转换器 (ADC) 系列，可(kě)在工业环境中实现高速数据采集。针对工业系统中的实时控制挑战，ADC3660 SAR ADC 具有(yǒu) 14 位、16 位和 18 位分(fēn)辨率，采样速度范围為(wèi) 10 至 125 MSPS，声称可(kě)将功耗降低 65%，并将延迟降低 80%。竞争设备。

在新(xīn)闻发布会上，TI 高速数据转换器产品線(xiàn)经理(lǐ) Matt Hann 强调了工业系统对实时控制的需求，因此新(xīn)型 ADC 3660 不仅在实时控制领域具有(yǒu)重要意义而且在精度和高速领域也是如此。

到目前為(wèi)止，设计工业系统的工程师不得不在噪声和低功耗方面的各种折衷方案之间做出选择——对于那些设计需要精确数据采集的電(diàn)池供電(diàn)设备的人来说，这是一个特别困难的决定。Hann 指出，ADC3660 系列旨在通过 8 个分(fēn)辨率為(wèi) 14、16 和 18 位、采样率范围為(wèi) 10 至 125 MSPS 的 SAR ADC 来解决这些权衡问题。

实时数字控制

提高高速数据管理(lǐ)的准确性满足了对实时控制不断增長(cháng)的工业需求。在这里，ADC 在一个复杂的系统中起作用(yòng)，以响应快速的電(diàn)压或電(diàn)流变化，并有(yǒu)助于防止对電(diàn)源管理(lǐ)系统中的关键组件造成代价高昂的损坏。

“当你谈到实时控制时，你会想到一些即时的东西，”Hann 说。“因此，在实时控制系统中，通常需要在高精度和速度很(hěn)重要的地方进行快速控制，例如在热像仪、网络基础设施、電(diàn)能(néng)质量分(fēn)析仪等中。”

图 1：通过数字控制回路实现实时控制

如图1所示，在数字控制中，实际上有(yǒu)四个关键部分(fēn)。我们在 Rx 链中有(yǒu)一个模拟電(diàn)路链，它将数据传送到 ADC，并由 FPGA、实时 MCU 甚至 DSP 处理(lǐ)。并且该信息作為(wèi)反向过程由 DAC 获取并转换回负载。“发生这种情况所需的总时间是通过我们所说的延迟来衡量的，”Hann 说。“因此，在过去，只有(yǒu)模拟控制器才能(néng)实现低延迟。因為(wèi)您不一定会受到 ADC 采样率甚至 ADC 噪声的限制，从而进行准确的测量。”

TI 的新(xīn)型 ADC 提供纳秒(miǎo)级延迟，不仅提供实时控制，还提供设计灵活性。“让数字控制器变得灵活的是 ADC3664 的可(kě)编程性”。

Hann 说，实时可(kě)调性和可(kě)编程性使最终设计人员能(néng)够通过简单地更改软件中的几个参数来定制可(kě)以适应多(duō)种应用(yòng)的系统。“这為(wèi)最终设计带来了灵活性，并為(wèi)最终客户节省了大量成本。”

SAR ADC

Hann 重点介绍了新(xīn) ADC 系列中的一些器件，这些器件由 8 个采用(yòng)单通道或双通道配置的引脚对引脚兼容器件组成，14 位、16 位和 18 位分(fēn)辨率等级从 10 到 125 MSPS . 根据不同的设备，该系列可(kě)以以最低的功耗提供实时控制延迟降低多(duō)达 80% 和一流的动态范围，以及使设计变得非常简单的集成功能(néng)和高采样频率，他(tā)说。

“ADC3683 是 65 兆样本 18 位，可(kě)提高窄带频率应用(yòng)中的噪声性能(néng)，例如 SNR 為(wèi) 84.2 dB 和噪声频谱密度為(wèi) –160 dBFS/Hz 的便携式國(guó)防无線(xiàn)電(diàn)。此外，它消耗的功率更少，每通道 94 mW”。

 

图 2：ADC3683 的框图

ADC3664 是另一种变體(tǐ)，可(kě)提供低延迟（一个时钟，8 ns）并有(yǒu)助于保护关键组件并提高半导體(tǐ)制造系统等应用(yòng)中的工具精度。

该系列的超低延迟使各种工业系统中的高速数字控制回路能(néng)够更准确地监控和响应電(diàn)压和電(diàn)流尖峰，从而提高半导體(tǐ)制造系统等应用(yòng)中的工具精度。

ADC3660 系列的高采样率和集成特性可(kě)帮助设计人员减少其系统中的组件数量。例如，ADC3683 允许过采样，从而使谐波遠(yuǎn)离所需信号。这使设计人员能(néng)够将抗混叠滤波器的复杂性和系统中组件的数量减少多(duō)达 75%。

降低设计复杂性的其他(tā)系列功能(néng)包括片上抽取选项，使设计人员能(néng)够轻松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多(duō)达 15 dB。这些抽取选项和互补金属氧化物(wù)半导體(tǐ) (CMOS) 接口允许设计人员将这些 ADC 与基于 ARM 的处理(lǐ)器或数字信号处理(lǐ)器一起使用(yòng)，而不是现场可(kě)编程门阵列，这有(yǒu)助于降低系统成本。