平衡精密数据采集系统的ADC尺寸、功耗、分辨率和带宽

作者：德州仪器

目前，工业产品趋向小型化发展，该趋势为精密数据采集系统带来了新的挑战。设计人员必须平衡整个系统的解决方案尺寸和功耗，同时在更高的带宽下实现更精确的信号测量并在此过程中进行权衡。

本文将详细讨论这些挑战，重点介绍模数转换器 (ADC) 在工业系统中的作用。

ADC封装尺寸

正如人们对消费类电子产品不断增长的需求，人们对减小工业设备的尺寸和功耗的需求也在日益增强。只要不影响产品的功能和性能，用户就会优先选择更小、更轻的便携式或半便携式数据采集设备，因为此类设备更容易在实验室或在外进行移动使用。小型化可编程逻辑控制器插件模块在工厂车间的控制面板内占用更少的空间，其次，设备库存和备件备用库存需要的货架空间更少。

当然，小型产品设计与内部电子设备的尺寸直接相关。图1显示了数据采集系统的布局，该系统使用TI具有四阶低通滤波器的THS4551全差分放大器、具有集成缓冲器的REF6041电压基准和ADS127L11宽带ADC。鉴于新技术的进步，值得注意的是转换器不再是设计中最大的元件。

图 1：典型的模拟前端印刷电路板(PCB)布局布线

ADC功耗

更大限度地降低功耗对于延长便携式设备的电池运行时间很重要，此外，实现低功耗也意味着可以设计出更小、更轻的设备，并尽可能地降低成本。例如，将四节并联的电池减少到三个。

降低功耗也可让离线供电的设备受益。低功率耗散可降低外壳内的温升，从而通过降低集成电路（IC）的平均结温（在某些情况下，减少或消除强制空气冷却）来延长产品寿命。相比较而言，尽管去掉产品外壳或控制面板上的通风槽可减少印刷电路板表面积聚的灰尘和蒸汽，但如果长时间暴露在恶劣环境中运行，则可能会导致现场设备出现问题。

降低功耗还意味着电源磁性元件的整体尺寸更小。当然，这种尺寸减小也意味着可以选择更小的外壳。

ADC分辨率

产生噪声的源会限制数据采集系统（来自基准电压和输入信号调节电路）中的测量分辨率，但许多令人满意的可选元件也可以帮助尽可能减少噪声源的影响。可以说，影响任何测量交流信号（例如振动/声学监测和通用数据采集）的工业设备系统分辨率的主要因素归结为转换器。转换器不应具有音调和其他限制测量分辨率的杂散频率，但应具有低宽带噪声（可解决小信号电平）和低失真，从而实现良好的频谱性能。

图2是精密数据采集系统良好光谱性能的示例。针对本示例中展示的数据，所采用的系统元件也是THS4551、REF6041和ADS127L11。

图 2：ADC频谱性能

ADC带宽

在精确采集交流信号期间，转换器应具有近乎理想的频率特性：低纹波平坦通带、陡峭过渡频带（可尽可能多地节省带宽）以及在奈奎斯特频率下完全有效的阻带（可更大限度减少信号混叠）。一旦出现信号混叠，便无法通过后处理来校正信号，因此尽可能经济地衰减带外信号非常重要。

宽带Δ-Σ ADC提供这些滤波器特性，包括抗混叠的关键功能。宽带或砖墙式滤波器基于具有上述通带、过渡频带和阻带性能的数字滤波器。滤波器本身只能通过过采样的概念来实现，并且为了获得理想功率和分辨率指标，通常与Δ-Σ ADC结合使用。图3显示了典型宽带ADC的频率响应。

图 3：宽带ADC滤波器响应

宽带滤波器具有阻带衰减，无需使用外部抗混叠滤波器而通常需要一个逐次逼近寄存器ADC。宽带滤波器和逐次逼近寄存器ADC都可在奈奎斯特频率下提供信号衰减。外部抗混叠滤波器的等效阶数将非常高，且实施起来成本高昂。避免使用外部滤波器可节省设计和元件成本，并避免大量带内相移。

转换器宽带滤波器的抗混叠特性可抑制压电传感器产生的带外信号。例如，振动监测系统中常见的压电加速度计传感器的谐振频率比正常信号电平最多高出+20dB。该谐振频率出现在传感器响应滚降之前。如果谐振被激发，谐振峰（以及出现的高于奈奎斯特的其他频率）可能会混叠到通带，导致信号的频率分析不正确。图4显示了具有典型高频谐振峰值的压电加速度计的频率响应。

图 4：在谐振条件下具有响应峰值的典型压电加速度计

将宽带滤波器集成到转换器中的缺点在于滤波器实现中很多逻辑门需要占用硅片面积。ADC的IC设计人员可以利用小晶体管尺寸和相关的低阈值电压来降低功耗，但同时需要模拟友好型晶体管来实现出色的模拟部分噪声和线性性能。TI已开发出满足这两个标准的IC工艺。

小晶体管几何形状可降低与逻辑门相关的杂散电容(C)，从而降低内部功率损耗。公式1表示在时钟频率(f)和工作电压(V)下工作的功率损耗(P)：

P = V2 × f × C                (1)

降低阈值电压可降低与V2电源项相关的功率损耗。另一个优势是通过ADC数字部分中使用的小晶体管尺寸降低了峰值开关电流，从而减少了数字开关耦合到模拟部分的噪声。

结语

借助ADS127L11，TI设计了一款宽带ADC，与现有宽带转换器相比，其封装尺寸减小了50%，功耗降低了50%，分辨率提高了3dB，信号带宽增加了50%。ADS127L11在不牺牲分辨率或带宽的情况下，平衡了尺寸和功率因素。

在选择精密宽带ADC时，设计人员不再需要在优化功耗、封装尺寸、分辨率和测量带宽之间进行选择。TI可满足对越来越小的外形尺寸、更低功耗和更高分辨率的需求，让您可以为下一代数据采集设备轻松选择转换器。