精密控制應(yīng)用通常會出現(xiàn)看似矛盾的數(shù)據(jù)采集要求,需要高精度和零延遲轉(zhuǎn)換。開發(fā)人員使用復(fù)雜的多信號鏈方法來協(xié)調(diào)這些要求,這些方法會增加設(shè)計(jì)成本并導(dǎo)致項(xiàng)目延遲。
但是,現(xiàn)在可以使用單個設(shè)備快速實(shí)現(xiàn)高分辨率,零 - 延遲數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì),附加組件相對較少。
本文將描述當(dāng)前方法的復(fù)雜性。然后,它將引入解決這些復(fù)雜性和成本問題以及如何應(yīng)用它們的解決方案。
高精度數(shù)據(jù)采集的復(fù)雜性
高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常依賴基于sigma-delta(ΣΔ)轉(zhuǎn)換等方法的高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。然而,這些方法使用的過采樣和濾波技術(shù)會在采樣事件和數(shù)字輸出之間引入延遲。這種延遲對于高精度,高速應(yīng)用來說是不可接受的。對于這些應(yīng)用,設(shè)計(jì)人員不得不進(jìn)行折衷,包括創(chuàng)建兩個并行轉(zhuǎn)換信號路徑。一種基于高分辨率ADC,另一種基于逐次逼近寄存器(SAR)ADC,可以無延遲地提供結(jié)果。這種妥協(xié)禁止獲得最大分辨率。
使用這種方法,僅憑附加信號鏈就可以提高設(shè)計(jì)成本和復(fù)雜性。同時,隨著設(shè)計(jì)人員建立補(bǔ)償功能以協(xié)調(diào)兩個信號鏈之間的增益,帶寬,溫度變化,長期漂移和其他性能參數(shù)的差異,總成本和復(fù)雜性會更加微妙地增加。
凌力爾特公司的LTC2500 ADC提供了一種更簡單的方法,提供無延遲24位轉(zhuǎn)換和高分辨率數(shù)字濾波32位轉(zhuǎn)換。
雙輸出
的核心Linear LTC2500-32是一款高速SAR ADC內(nèi)核,用于轉(zhuǎn)換從差分模擬輸入引腳IN + 和IN - 采樣的模擬輸入信號。反過來,ADC內(nèi)核的輸出為無延遲24位輸出和來自獨(dú)立器件引腳的數(shù)字濾波32位輸出提供單獨(dú)的片內(nèi)信號路徑。
在這種簡單的操作視圖的基礎(chǔ)上,該器件提供了一系列復(fù)雜功能,將低功耗,低噪聲操作與各種轉(zhuǎn)換功能相結(jié)合。例如,該器件通過在對其模擬輸入進(jìn)行采樣時保持低功耗狀態(tài)來幫助降低系統(tǒng)功耗要求。當(dāng)器件在其MCLK主時鐘引腳上看到上升沿時,它會喚醒足夠長的時間來執(zhí)行轉(zhuǎn)換,并在轉(zhuǎn)換完成時自動關(guān)斷。因此,該器件在其660 ns(最大值)轉(zhuǎn)換階段僅消耗可觀的功率。此功能允許開發(fā)人員通過以符合其應(yīng)用要求的最低可能采樣率操作器件來優(yōu)化總體功耗(圖2)。
圖2:凌力爾特公司LTC2500-32僅在其660 ns(最大值)轉(zhuǎn)換階段進(jìn)入完全有效狀態(tài),降低了功耗并降低了功耗抽樣率。 (圖像來源:Linear Technology)
然而,對于大多數(shù)高精度應(yīng)用而言,提供高分辨率數(shù)據(jù)的能力仍然是主要關(guān)注點(diǎn)。為了滿足苛刻的轉(zhuǎn)換要求,設(shè)計(jì)人員在模擬輸入上集成了復(fù)雜的濾波器級以減少混疊,并在數(shù)字輸出上集成了減少帶外噪聲的功能。例如,開發(fā)人員通常使用低通濾波器對ADC的模擬輸入進(jìn)行調(diào)節(jié),該濾波器設(shè)計(jì)用于抑制高于奈奎斯特頻率的信號頻率分量 - 即采樣頻率的一半。
對于許多應(yīng)用,設(shè)計(jì)人員可以通過簡單的低通模擬濾波器輕松滿足抗混疊要求。然而,當(dāng)目標(biāo)信號帶寬接近奈奎斯特頻率時,設(shè)計(jì)人員需要實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的模擬濾波器,以實(shí)現(xiàn)清晰的滾降,以消除混疊,而不會衰減信號本身。然而,使用LTC2500-32,開發(fā)人員可以通過將更簡單的低通模擬濾波器與ADC的片上數(shù)字帶通濾波功能相結(jié)合來放寬模擬濾波器要求,從而創(chuàng)建“混合模式”抗混疊濾波器(圖3)。
圖3:設(shè)計(jì)人員可以通過將凌力爾特公司的LTC2500-32片上數(shù)字濾波器與其結(jié)合,實(shí)現(xiàn)所需的抗混疊濾波器(AAF)配置文件簡單的模擬濾波器。 (圖片來源:Linear Technology)
數(shù)字濾波
從廣義上講,數(shù)字濾波滿足了一項(xiàng)關(guān)鍵需求:去除帶外頻率成分,降低整體動態(tài)范圍和轉(zhuǎn)換質(zhì)量。過去,開發(fā)人員經(jīng)常使用專用硬件(包括DSP甚至FPGA)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字濾波器,以實(shí)現(xiàn)高速應(yīng)用。 LTC2500-32的集成數(shù)字濾波器無需外部濾波解決方案,進(jìn)一步降低了設(shè)計(jì)成本和復(fù)雜性。此外,LTC2500-32還支持多種內(nèi)置光譜濾波器,包括扁平通帶濾波器(圖4A)和多個正弦濾波器(圖4B)。此外,平均濾波器可讓設(shè)計(jì)人員通過在最終濾波輸出中平均多達(dá)16,384個轉(zhuǎn)換結(jié)果來減少隨機(jī)噪聲的影響。
圖4:與扁平通帶濾波器(a)一起,線性LTC2500-32支持sinc 1 ,sinc 2 ,sinc 3 ,sinc 4 和spread-sinc(ssinc)濾波器(b)開發(fā)人員可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)諧以通過或衰減特定頻率,以增強(qiáng)信號采集。 (圖像源:Linear Technology)
在平坦通帶和正弦濾波器的輸出上,抽取濾波器根據(jù)可編程的下采樣因子(DF)對濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行下采樣,提供每個DF < sup> th 采樣到濾波后的輸出寄存器并丟棄其他寄存器。因此,對于任何ADC轉(zhuǎn)換頻率fSMPL,開發(fā)人員可以在應(yīng)用不需要器件的最大1 MS/s最大采樣率時設(shè)置有效器件輸出數(shù)據(jù)頻率f0 = fSMPL/DF。
組合這些不同的濾波器類型和采樣靈活性還使設(shè)計(jì)人員能夠優(yōu)化轉(zhuǎn)換過程的帶通和帶阻性能。通過將器件配置為在特定的fSMPL和DF下工作,開發(fā)人員可以根據(jù)需要移動f0選擇數(shù)字濾波器來傳遞或拒絕特定頻率。
如前所述,數(shù)字濾波算法用于增強(qiáng)高頻分辨率ADC輸出引入輸入采樣和濾波輸出之間的延遲。隨著濾波變得更加復(fù)雜,無論數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)方法如何,延遲都相應(yīng)地增加。對于LTC2500-32 ADC,支持的數(shù)字濾波器引入了可預(yù)測的延遲,隨著濾波器的復(fù)雜性而增長(圖5)。在每種濾波器類型中,DF的增加會增加有效濾波器的長度,從而增加濾波器的建立時間,從而增加其延遲。例如,雖然以DF = 4運(yùn)行的sinc 1 濾波器類型可能導(dǎo)致3微秒(μs)延遲,但設(shè)置DF = 2048將導(dǎo)致相同濾波器的延遲為513μs。
圖5.銳利滾降意味著采樣和濾波輸出之間的延遲更大,如此處所示的Linear LTC2500-32平坦通帶濾波器(a)和sinc過濾器(b)。 (圖片來源:Linear Technology)
轉(zhuǎn)換輸出
盡管增強(qiáng)轉(zhuǎn)換結(jié)果需要延遲,但需要即時轉(zhuǎn)換結(jié)果的應(yīng)用程序可以簡單地訪問LTC2500-32無延遲輸出寄存器。在每次ADC內(nèi)核轉(zhuǎn)換后,器件使用32位代碼更新無延遲輸出寄存器,該代碼包括超量程檢測位,24位值差分輸入電壓(IN + - IN - )和7位共模輸入電壓(IN + + IN - )/2。在轉(zhuǎn)換之間,主機(jī)MCU可以使用相關(guān)的串行數(shù)據(jù)時鐘輸入B(SCKB)通過專用串行數(shù)據(jù)輸出B(SDOB)引腳串行讀取該32位寄存器。
同樣,主機(jī)MCU可以通過單獨(dú)的數(shù)據(jù)輸出(SDOA)引腳和時鐘(SCKA)訪問濾波數(shù)據(jù)輸出寄存器。但是,對于濾波數(shù)據(jù)輸出,Linear利用了與平均或下采樣相關(guān)的濾波輸出寄存器更新之間的延長周期。例如,當(dāng)平均濾波器被設(shè)置為平均四個采樣或者頻譜濾波器DF被設(shè)置為四時,濾波的輸出寄存器在產(chǎn)生濾波結(jié)果之前的三個轉(zhuǎn)換周期期間保持不變。利用LTC2500-32,開發(fā)人員可以在這三個轉(zhuǎn)換周期內(nèi)延長輸出寄存器的串行讀出,允許使用較慢的時鐘來驅(qū)動SCKA。
此功能稱為分布式讀取,允許開發(fā)人員讀取每個ADC內(nèi)核轉(zhuǎn)換周期之間的輸出寄存器的幾位。通過用至少一個但少于20個脈沖驅(qū)動SCKA引腳,主機(jī)可以在轉(zhuǎn)換周期之間移出相同數(shù)量的位。開發(fā)人員可以通過在轉(zhuǎn)換周期期間發(fā)出零脈沖或發(fā)出20個或更多脈沖來終止讀取過程,從而使器件更新濾波后的輸出寄存器并啟動下一個分布式讀取周期(圖6)。
圖6:利用Linear LTC2500-32分布式讀取功能,開發(fā)人員可以通過脈沖SCKA讀出濾波后的輸出寄存器的1到19位ADC轉(zhuǎn)換之間的相應(yīng)脈沖數(shù)(DRL為低),通過在(最終)ADC轉(zhuǎn)換周期期間發(fā)出零脈沖完成讀取,并允許器件啟動下一個平均序列。 (圖像來源:Linear Technology)
無論用于讀取器件輸出的方法如何,開發(fā)人員只需要進(jìn)行少量連接即可實(shí)現(xiàn)LTC2500-32與主機(jī)MCU之間的數(shù)字接口。硬件工程師通常可以將LTC2500-32直接連接到數(shù)字邏輯,因?yàn)樵撈骷С峙c其自身2.5伏電源引腳(VDD)分開的數(shù)字IO電源(OVDD)。 OVDD電源電壓范圍為1.8至5伏,使器件能夠直接連接到大多數(shù)數(shù)字邏輯組件,而無需電平轉(zhuǎn)換器。
設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)一步減少使用濾波和無延遲的應(yīng)用的設(shè)計(jì)占用空間輸出。在這里,設(shè)計(jì)人員將LTC2500-32的每個輸出的獨(dú)立時鐘和串行數(shù)據(jù)線連接到單個時鐘線和來自MCU的數(shù)據(jù)線(圖7)。通過切換RDLA和RDLB,設(shè)計(jì)人員可以分別為串行數(shù)據(jù)輸出啟用濾波和無延遲輸出。
圖7:設(shè)計(jì)人員可以通過共享用于濾波(SCKA時鐘和SDOA數(shù)據(jù))和無延遲(SCKB和SDOB)輸出的時鐘和數(shù)據(jù)連接來簡化MCU互連,使用RDLA和RDLB來啟用相應(yīng)的輸出。 (圖像來源:凌力爾特公司)
設(shè)計(jì)人員通常會添加一個額外的連接,將主機(jī)GPIO連接到LTC2500-32串行數(shù)據(jù)輸入(SDI)引腳(如圖1所示),以進(jìn)行編程器件配置。通過設(shè)置ADC的12位控制字中的位,設(shè)計(jì)人員可以選擇濾波器類型和下采樣因子。在各種特定操作狀態(tài)期間(例如在加電之后或轉(zhuǎn)換之間),設(shè)備打開“交易窗口”,允許設(shè)備讀入新的控制字。通過在此事務(wù)窗口中加載新的控制字,他們可以動態(tài)更改過濾器類型,DF設(shè)置或其他設(shè)備參數(shù),以匹配信號特征或應(yīng)用要求的變化。
然而,對于大多數(shù)設(shè)計(jì),開發(fā)人員將在上電時對器件進(jìn)行一次編程。在某些情況下,開發(fā)人員通過利用設(shè)備內(nèi)置的一對預(yù)設(shè)配置來消除甚至此設(shè)備編程步驟。通過將LTC2500-32的預(yù)置(PRE)引腳置為高電平,開發(fā)人員可以根據(jù)SDI引腳的狀態(tài)選擇預(yù)置。如果SDI接低電平,LTC2500-32將通過其平均濾波運(yùn)行。如果SDI為高電平,則使用其ssinc濾波器,DF = 64。
設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
雖然數(shù)字接口很簡單,但開發(fā)人員通常需要一些額外的組件來實(shí)現(xiàn)實(shí)用數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)。在這些外部元件中,選擇合適的電壓基準(zhǔn)是至關(guān)重要的。 LTC2500-32的REF引腳上的參考電壓設(shè)置轉(zhuǎn)換的最大輸入范圍。在轉(zhuǎn)換階段,ADC從REF吸取電荷,導(dǎo)致電流尖峰小,可能降低轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)人員可以使用高精度5伏電壓基準(zhǔn)(如凌力爾特公司LTC6655-5和旁路電容)在很大程度上消除這些影響。當(dāng)電容緩沖增量電流消耗時,LTC6655-5確保參考電壓的偏差在整個ADC代碼范圍內(nèi)保持小于0.5 ppm。
在ADC的IN + 和IN - 輸入,設(shè)計(jì)人員還需要確保信號保持無失真。理論上,任何低阻抗信號源都可以直接連接到LTC2500-32高阻抗輸入引腳。然而,實(shí)際上,設(shè)計(jì)人員可以使用快速建立放大器來緩沖ADC輸入,例如用于交流應(yīng)用的Linear Technology LTC6363或LT6202,或用于DC應(yīng)用的零漂移放大器,如Linear LTC2057。
除了緩沖輸入外,這些放大器還提供將輸入信號擺幅與ADC的全動態(tài)范圍匹配所需的信號調(diào)理,或?qū)味溯斎朕D(zhuǎn)換為全差分信號(圖8)。
圖8:開發(fā)人員可以使用凌力爾特公司的LT5400-4電阻網(wǎng)絡(luò)和快速建立的低噪聲LTC6363運(yùn)算放大器來轉(zhuǎn)換單個將雙極AC輸入端接到LTC2500-32的差分信號。 (圖片來源:Linear Technology)
LTC2500-32相對簡單的接口要求使經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員能夠圍繞這一復(fù)雜設(shè)備快速實(shí)現(xiàn)完整的高分辨率數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)。然而,無論設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)如何,構(gòu)建用于全面評估LTC2500-32的電路的細(xì)節(jié)都可能會延遲尋求快速解決方案的項(xiàng)目。 DC2222A-A演示板簡化了原型設(shè)計(jì)和開發(fā)。
電路板本身提供了完整的硬件實(shí)現(xiàn)和相關(guān)的參考設(shè)計(jì),包括原理圖,詳細(xì)的BOM和評估軟件。在電路板上,完整的模擬輸入緩沖電路提供了信號調(diào)理設(shè)計(jì)的詳細(xì)示例,并以多功放電路的詳細(xì)原理圖為后盾。對于更詳細(xì)的信號分析或應(yīng)用開發(fā),開發(fā)人員可以將DC2222A-A演示板連接到凌力爾特公司的兼容Arduino的DC590或DC2026 QuikEval系統(tǒng)或線性DC890 PScope USB數(shù)據(jù)采集板。
結(jié)論
過程控制和儀器的高精度應(yīng)用的增長使開發(fā)人員不得不尋找能夠以高分辨率和零延遲提供結(jié)果的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換解決方案。由于高分辨率轉(zhuǎn)換方法增加了轉(zhuǎn)換延遲,開發(fā)人員通過將較慢的高分辨率ADC與較快的低分辨率ADC配對來滿足這一需求。
而不是處理此方法固有的成本和復(fù)雜性開發(fā)人員現(xiàn)在可以使用能夠提供高分辨率而無延遲輸出的單個設(shè)備。使用Linear LTC2500-32,他們可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì),能夠滿足高精度應(yīng)用的各種要求。
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