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想实现工业40是时候告别24位ADC了

发布时间:2019-09-30 04:22:00 阅读: 来源:化学试剂厂家

想实现工业4.0?是时候告别24位ADC了

提及智能化或工业自动化,我们的第一反应往往是APP很强大、人机界面很炫或是主控芯片性能很高……但是,在这些看得到、感受得到的技术背后,模拟技术的作用其实是巨大的,它像一个低调的巨人,默默地支撑着智能化、自动化这些光鲜的技术应用从无到有、从基础到强大。

在可预见的未来,智能化也好,工业4.0也好,都对模拟技术提出了更高的需求。首先是高精度,为了保证工厂自动化以及控制自动化的质量及人身安全,对于模拟芯片的精度要求未来将会继续提升。其次是高速采集需求,在向全自动化的发展过程中,工厂需要十倍甚至百倍的数据点,因此对信号的高速和实时采集也是必不可少的要求,对模拟芯片特别模拟信号输入芯片的精度提出了更高的要求。此外,小型化是未来的必然趋势,因此也要求芯片持续向小型化、集成化的方向发展。

24位遭遇瓶颈,32位Δ-Σ ADC应时而生

那么,在目前的模拟数据采集芯片和解决方案方面,有哪些已经出现或者将要面临的技术挑战呢?

德州仪器 (TI) 半导体事业部中国区模拟业务拓展经理朱文斌介绍,目前24位ADC(模数变换器)在工业应用已经遇到瓶颈。以可编程逻辑控制器 (PLC)系统为例,其中的ADC位数从10位-20位不等,24位已经是最高的位数了。但是对于石油勘探等对温度控制要求很高的客户来说,他们在全温度范围内都要求更高的分辨率,24位往往不够用。由于性价比比较高的芯片全是24位Δ-Σ ADC,因此许多客户首先提出了更高精度的需求。此外,对于工业用高精度天平来说,也需要高于24位ADC的应用。24位的ADC市场已经基本处于饱和状态,亟需在本身的架构、精度上寻求突破。而除了高精度,对于工业现场用的各种采集板卡、系统来说,都要求温度和系统长时间工作的稳定性,因此要求IC器件具有低温漂漂移的特性。

顺应上述市场需求,TI在实时性、高速、高精度以及小型化等方向综合考量,推出了ADS1262/1263两款32位增量-累加模数转换器(Δ-Σ ADC),这两款器件将高分辨率、低噪声和集成故障检测组合在一起,成功解决了过去在器件评估和选型时,所需的性能和特性无法兼得的问题。

ADS1262/1263在2.5SPS采样率情况下,还能采到7nVRms均值信号的水平,这点对于输入信号为10mV以下或者更小的电桥应用是必不可少的。它们的偏移误差漂移也比同类解决方案低80%,从而确保了整个温度范围内的测量稳定性。38 kSPS的最大输出数据速率使得它们特别适用于高数据吞吐量工业应用中。

朱文斌进一步介绍,过去系统设计人员如果需要高分辨率ADC,则必须在其它技术规格方面做出让步,诸如低噪声、低漂移,或其它集成特性。而ADS1262/1263不仅可提供32位高分辨率,还具有快速数据速率和宽温度范围特性,以及高集成和故障检测功能,因此很好地解决了这些问题,从而能够帮助设计人员最大限度地提升PLC、工业自动化设备以及传感器测量应用的性能。

ADS1262集成了一个可编程增益放大器 (PGA)、2.5V基准、振荡器、电平移位器、温度传感器、双激励电流源 (IDAC) 以及8个通用输入/输出 (GPIO) 引脚。而ADS1263与ADS1262最大的区别在于,它在需要并行主通道转换、传感器温度补偿或传感器诊断的系统中增加了一个辅助24位Δ-Σ ADC。朱文斌解释,之所以增加这样一个ADC,主要是在做热电偶测量时,需要两个通道的ADC,一个通道用来测量热电偶,另一个通道做冷节点的参考,目前高精度的热电偶方案多数采用了两个24位ADC,而ADS1263单颗芯片就可以完成。

Δ-Σ ADC的精度提升难点在哪里?

为什么市面上24位ADC的使用比较广泛,而32位的产品并不多见呢?ADC精度的提升难点在哪里?

朱文斌认为不同种类的ADC面临不同的难度,以SAR ADC和Δ-Σ ADC为例,提高精度有着不同的发力方向。SAR ADC是逐次递进型的,是真正的模拟芯片,现在市面上的SAR ADC做到18位已经很了不起了,它最大的局限是工艺。而对于Δ-Σ ADC来说,朱文斌认为它更像数字芯片,因为它由两部分组成,第一部分是调制器,调制出来PWM码流再给后面的数字滤波器进行滤波,它比较受局限的正是后面的数字滤波器的设计。而数字滤波器理论上来讲二阶、三阶最稳定,如果做到四阶、五阶它的稳定性就会出问题。所以,32位ADC需要在数字滤波器上做更多的优化。

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