當今工業(yè)控制系統(tǒng)的設計目標在要求系統(tǒng)更快、更準確和更小的同時，還希望實現(xiàn)更低的功耗及更高的可靠性。此類系統(tǒng)的設計人員必須選擇合適的組件以確保上述目標的實現(xiàn)。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，核心組件之一就是模數(shù)轉換器 (ADC)。

SAR ADC 的優(yōu)勢

系統(tǒng)設計人員可以選擇的 ADC 有好幾種，包括流水線型、增量-累加 (ΔΣ) 型和 SAR (逐次逼近寄存器) 型架構。這里我們不去深究每種 ADC 的工作原理，而是只關注一下在選擇 ADC 時必須考慮的若干特性。流水線型 ADC 可提供非常快的轉換時間、能以極低的失真對非常快的輸入信號進行數(shù)字轉換，但需吸收高電源電流，且具有不良的信噪比 (SNR) 和流水線延遲 (輸入被采樣的時刻與可提供數(shù)據(jù)的時刻之間的固定樣本數(shù)量延遲)。SNR 欠佳的問題雖可利用求平均來克服，但這將以犧牲有效采樣速率為代價。流水線延遲會損害數(shù)據(jù)的實時性，讓控制環(huán)路的精細調諧變得困難。ΔΣ ADC 在要求高精度和低噪聲的應用中表現(xiàn)優(yōu)異，但其低采樣速率則限制了其在接近 DC 應用中的使用。SAR ADC 可提供從幾 MHz 到低至 DC 的轉換速率范圍，能夠處理從 DC 至數(shù)十 MHz 的輸入信號，并擁有上佳的 SNR 和低失真。SAR ADC 能以一種“按需”的方式進行采樣，隨后提供該數(shù)據(jù) (沒有任何的流水線延遲)，并為控制系統(tǒng)提供適時反饋，從而實現(xiàn)一個具良好瞬態(tài)響應的嚴密控制環(huán)路。

先進的 SAR ADC

凌力爾特公司推出的 LTC2379-18 標志著 SAR 型模數(shù)轉換器的一項重大進步。LTC2379-18 是一款功耗僅 18mW 的 1.6Msps、18 位 SAR ADC，采用 16 引腳 MSOP 封裝和 4mm x 3mm DFN 封裝。LTC2379-18 使用一個 2.5V 工作電源，具有一個 ±2.5V 至 ±5.1V 的全差分輸入范圍 (由 VREF 設定)。憑借 < -115dB 的保證總諧波失真 (THD)、> 98dB 的信噪比、< 2LSB 的積分非線性 (INL)、無漏失碼 (在 18 位) 以及在高達 125?C 溫度下得到保證的工作性能，LTC2379-18 提供了當今控制系統(tǒng)所需要的速度、準確度、低功耗和可靠性。

速度較高的 ADC 可測量較小的時間增量

新式系統(tǒng)所需的精細控制使得測量較小時間增量的能力成為不可或缺。這種在實時環(huán)路中測量較小時間增量的能力受限于 ADC 的最大采樣速率。最大采樣速率與 ADC 轉換時間及采集時間之和呈逆相關。由于數(shù)據(jù)移出需要時間，因此通常都認為串行 ADC 的速度低于并行 ADC。就串行 ADC 而言，數(shù)據(jù)往往是在采集期間進行傳送。如果數(shù)據(jù)傳送時間少于采集時間，那么在轉換時間和采集時間相似的情況下，串行 ADC 的最大采樣頻率并不比并行 ADC 慢。LTC2379-18 具有 200ns 的最小采集時間，這與 180ns 的最小數(shù)據(jù)傳送時間近似相等，表明該器件專門針對最大采樣頻率進行了優(yōu)化。

重要的是更高的準確度 (而并非僅僅是“位數(shù)”)

同樣是對于更精細控制的需求還導致控制系統(tǒng)必需擁有更高的準確度。當從 16 位性能提升至 18 位性能時，重要是不能只把注意力放在“位數(shù)”上。不要被“以行銷為目的的位數(shù)”宣傳所蒙蔽。要確定 ADC 所擬訂的規(guī)格中包括“整個溫度范圍內的無漏失碼”。具有優(yōu)良 SNR 的 ADC 可在進行測量時提供更大的噪聲裕量，從而減低了對于求平均的要求。減少求平均可產生具較小延遲的控制環(huán)路，從而令控制環(huán)路的穩(wěn)定性有所提升。DC 應用要求上佳的 INL 和 DNL 規(guī)格，而 AC 應用則需要良好的 THD 性能指標。圖 1 中的 FFT 示出了 LTC2379-18 的典型性能，其中包括 101.2dB 的 SNR 及 -120dB 的 THD。
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圖 1：32k 點 FFT 顯示了 LTC2379-18 的低失真及低噪聲特性

小尺寸允許更多的通道

LTC2379-18 可兼容 SPI 標準，并能與 1.8V、2.5V、3.3V 和 5V 邏輯器件系列相連。圖 2 中所示的一種菊鏈模式允許多個 LTC2379-18 共用 SPI 和 BUSY 線路，這在具有大量轉換器的場合是有益處的，否則有可能使所需的信號數(shù)目不切實際。而且，當對來自幾個通道的數(shù)據(jù)進行同步 (這是保持通道間的相位信息所必需的) 時，鏈接模式也是有用的。假如數(shù)字主機能夠等待最大轉換時間之后再起動數(shù)據(jù)傳送，那么就可以免除 BUSY 線路，從而可把線路數(shù)目從 4 條進一步減少至 3 條。

圖 2：LTC2379-18 的 CHAIN 模式允許多個 ADC 與主處理器進行通信 (僅采用 4 根導線)

低功耗降低了成本、簡化了設計

由于控制系統(tǒng)變得越來越復雜、通道數(shù)目日益增多、而與此同時可用空間卻在不斷縮小，因此降低系統(tǒng)功率需求變得更加重要。除了削減運作成本之外，降低功率要求還可簡化熱管理。選擇那些具內置電源管理功能的組件可使功耗的降低變得容易。比如：LTC2379-18 在一次轉換操作之后會自動斷電，因而在低采樣速率下可實現(xiàn)更低的功耗。

單電源 ADC 常常具有一個從地電位至 VREF 的模擬輸入范圍。由于驅動器峰值空間要求的緣故，這意味著負責驅動 ADC 的驅動器需要一個至少比 Vref 高幾百 mV 的電源電壓和一個比地電位低幾百 mV 的負電源。即使采用軌至軌驅動器情況也是如此，因為失真會隨著輸出接近正電源或負電源而增加。迄今為止，這意味著要么為保持低失真而采用單工作電源 (白白浪費靠近地和 V+ 的幾千個代碼)，要么采用分離型工作電源而付出功耗增加的代價。

LTC2379-18 提供了一種數(shù)字增益壓縮功能，該功能可在采用一個介于 ±VREF 模擬輸入電壓的 10% 至 90% 之間的輸入時實現(xiàn)一個零標度至全標度的 ADC 輸出擺幅。對于一個 5V 基準，這意味著模擬輸入范圍為 0.5V 至 4.5V，同時仍然保持了所有 262,144 個輸出代碼，如圖 3 所示。壓縮模擬輸入范圍可為 ADC 驅動器提供更多高于地電位和低于正電源電壓的空間。此項功能使得 LTC2379-18 緩沖器能夠用單個電源來供電，從而實現(xiàn)了顯著的節(jié)能。
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圖 3：LTC2379-18 數(shù)字增益壓縮功能縮減了模擬輸入范圍，同時保持了完整的數(shù)字輸出范圍，從而實現(xiàn)單電源驅動器運作。

可靠性使產品合乎需要

可靠性是控制系統(tǒng)設計中最重要的目標之一。客戶希望購買可靠的產品。增加噪聲裕量、提供更準確的讀數(shù)、減少信號線和電源的數(shù)目、較低的功耗及上佳的熱管理均可提升系統(tǒng)的可靠性。選擇高質量的組件 (包括 ADC) 也是同樣重要的一環(huán)。應謹慎地確保諸如 INL、DNL、SNR 和 THD 等所有關鍵的 ADC 性能指標 (而不僅僅是典型規(guī)格) 均得到全面的保證。同樣重要的是：規(guī)格指標應在系統(tǒng)必須運作的整個溫度范圍內予以保證。

單電源實例顯現(xiàn)了 LTC2379-18 的優(yōu)勢

LT6350 可用于對大的真正雙極信號 (其擺幅從低于地電位至 LTC2379-18 的 ±4V 差分輸入范圍) 進行緩沖和轉換，并啟用了數(shù)字增益壓縮功能，旨在最大限度地擴展可進行數(shù)字轉換的信號擺幅。如圖 4 所示，LT6350 被用于轉換一個 ±10V 的真正雙極信號，以供 LTC2379-18 使用。在這種場合，LT6350 中的第一個放大器被配置為一個反相放大器級，其作用是對輸入信號進行衰減并將其電平移位至 LTC2379-18 的 0.5V 至 4.5V 輸入范圍。在反相放大器配置中，輸入阻抗由電阻器 RIN 設定。RIN 必須根據(jù)信號源的源阻抗謹慎地選擇。當 LT6350 和 LTC2379-18 作為一個系統(tǒng)時，較高的 RIN 值往往會使其噪聲和失真指標均有所下降。較低的 RIN 值則有可能讓信號源難以驅動。LT6350 中第一個放大器輸入端上的電阻器應仔細選擇，以實現(xiàn)期望的衰減、共模輸出電壓并保持一個平衡的輸入阻抗。圖 4 中的電路具有一個 99dB 的 SNR 和一個 -95dB 的 THD。

圖 4：LTC2379-18 和 LT6350 可接受一個 ±10V 的輸入信號并采用單 6V 工作電源

概要

工業(yè)控制系統(tǒng)需要在時間和幅度兩方面均進行較為精細的控制。此類系統(tǒng)的設計人員需要大量的通道，但必須了解空間和功率的限制條件以及對可靠性的需求。憑借高轉換速率、上佳的 SNR、THD 和 INL 特性、及其“按需采樣”的能力，SAR ADC 能幫助系統(tǒng)設計人員實現(xiàn)其目標。凌力爾特推出的 LTC2379-18、18 位 SAR ADC 具有 1.6Msps 轉換速率、有保證的 98dB SNR、18mW功耗、允許多個 ADC 共用三條線路的鏈接模式、以及使其能夠采用單電源放大器來驅動的獨特數(shù)字增益壓縮模式，因而對于高準確度系統(tǒng)的設計師而言是一種上佳的選擇。

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