控制系统借助高性能数据转换取得进步

引言

许多工业控制系统都通过采用精细复杂的高次控制环路来保持某种关键参数 (电气、机械、热力或液压) 的精准调节。在这个技术发展日新月异的时代，控制系统设计人员在实现其设计目标的过程中正面临着前所未有的挑战。系统必须比以往更快、更准确和更灵活，同时要把更多的功能集成到日趋缩小的外壳之中并消耗较少的功率。因此，人们需要那些不仅能够提升现有设计的性能水平、而且还可实现新功能的新型解决方案。很多工业控制系统的核心是一个模数转换器 (ADC)。在诸如电网监视器、光网络开关和生产机器人系统等系统中，ADC 起着非常重要的作用，可将关键信号从模拟转换为数字以进行数字信号处理。这种模数转换必须越来越多地以高分辨率、高速和低功耗来完成。

改善您的控制系统

不少控制系统设计人员均依靠逐次逼近型寄存器 (SAR) ADC 来对其至关紧要的模拟信号进行准确的数字化处理。从根本上说，SAR ADC 的特点在于其能够获得输入信号时域中的精准"瞬间状态"，并在单个时钟周期之内完成模数转换。由于输入在时域中的某个精确瞬间进行采样并可在同一个时钟周期之内立即获得结果，因此 SAR ADC 擅长于异步"启动-运行"式操作 (start-and-go operation)。SAR ADC 能快速而准确地产生转换结果，且即使在长久的空闲周期之后也没有周期延迟 (所谓"单触发"操作)，从而使其成为控制系统应用的理想选择。其他类型的 ADC (比如ΔΣ ADC和流水线型 ADC) 则需要多个时钟周期来完成单次转换，因而导致它们较难在控制系统中使用。

由于许多应用都要求多个控制环路在某个给定的系统中同时运作，所以 ADC 的占板面积和功率耗散也是很重要的考虑因素。例如，对于新式光网络开关而言，通道密度就是一个关键的卖点。这些系统常常采用小的低功率 SAR ADC，用于监视和控制各个光通道的输出功率级。因此，为了实现速度更快和响应性更好的控制系统，就需要采用具单触发准确度的高分辨率、高速和低功率 SAR ADC。

突破性的性能

凌力尔特公司近期推出了一个旨在解决上述重大难题的新型高性能 SAR ADC 系列。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。这种性能是在保持低操作功耗的情况下实现的，功耗范围为 3.75mW (在 250ksps) 至 19mW (在 2Msps)。每款器件均可提供小型 MSOP-16 封装或 DFN-16 封装。表 1 列出了新型 ADC 系列的概要信息。

表 1：凌力尔特的 SAR ADC 系列

为了照顾那些负责评价和选择 ADC 的系统设计人员，本文将讨论几个与其在控制系统中使用相关的重要 SAR ADC 性能指标，以减少在控制系统及其他苛刻应用中选择最佳 ADC 时所涉及的不确定性。

控制系统要求

高分辨率控制系统需要使用高分辨率 ADC 来对输入信号进行较为精细的数字化处理，这是很自然的事。ADC 必须在尽量减少信号链路噪声的情况下完成转换操作。众所周知，可以通过对多次转换的结果进行求平均来降低 ADC 噪声，这种做法的代价是有效转换速率有所下降。低噪声 ADC 不仅提供了准确度和分辨率，而且还实现了较高的运作速度，从而改善了控制系统的响应时间。设计人员必须在分辨率、速度、噪声和功率要求之间进行权衡折衷，以实现系统的总体目标。

噪声

系统设计人员可以通过两种截然不同的规格指标来评价一个 SAR ADC 的噪声性能。就那些对具有动态 AC 成分的信号进行数字化处理的系统而言，信噪比 (SNR) 是一个有启迪作用的指标。SNR 越高，则 ADC 的基波信号与噪声层之间的动态范围就越大。低噪声 ADC 可为信号处理链路提供较大的噪声裕量，因而有助于放宽系统设计限制条件。图 1 示出了 LTC2379-18 的 FFT 曲线图，此器件是一款具有 101dB SNR 的 18 位、1.6Msps SAR ADC。该高速 SAR ADC 的极低噪声层在工业控制系统设计中提供了前所未有的灵活性和易用性。

图 1：LTC2379-18 的 FFT 曲线图 (工作于 18 位分辨率和 1.6Msps 采样速率)

对于那些主要负责调节静态 DC 信号的系统，转换噪声是一项有启发性的规格。当 ADC 输入被保持在一个固定电平时，转换噪声是散布在 ADC 输出端上的代码的一个直接度量指标。转换噪声越低，则 ADC 输出越稳定，从而可在采用较少平均处理的情况下提供准确的测量。图2 示出了 LTC2380-16 的转换噪声特性，该器件是一款 16 位、2Msps SAR ADC。当转换噪声低于 0.2LSB 时，将无需使用求平均来降低 ADC 输出中的不确定性，从而在高