平衡精確資料擷取系統中的ADC尺寸、功率、解析度與頻寬

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德州儀器新聞稿發表於 2021年12月17日

工業產品最小化的最新趨勢為精確資料擷取系統帶來新挑戰。設計人員必須平衡整體系統的尺寸和功耗，並需以更高頻寬進行更精確的訊號量測，同時進行各種取捨。我將在本文中詳細探討這些挑戰，並將重點放在工業系統的類比轉數位轉換器 (ADC)。

ADC封裝尺寸

如同消費電子產品，減少工業設備尺寸與功耗的推力也逐漸增加。在不犧牲功能與性能的情況下，使用者都偏好更小、更輕巧的可攜式或半可攜式資料擷取設備，因為方便在實驗室中移動或帶到現場。若能將可編程邏輯控制器外掛模式最小化，則可減少在工廠控制面板上占用的空間，也可減少設備庫存和備用零件庫存所需的存放空間。

當然，小型產品設計與內部的電子裝置尺寸有直接的關係。圖 1 中的資料擷取系統配置使用具第四階低通濾波器的 TI THS4551 全差分放大器、具整合式緩衝器的 REF6041 參考，以及 ADS127L11 寬頻 ADC。值得注意的是，在最新技術進步下，轉換器已不是這個設計中最大的元件。

圖 1、典型類比前端印刷電路板 (PCB) 配置

ADC功耗

功耗最小化在延長可攜式設備電池運作時間上十分重要，此外，實現低功耗也代表設備能夠更輕巧，也可能進而降低成本 (例如將四個並聯電池芯減為三個)。

減少功耗也可為離線供電設備帶來好處。低功率消耗可紓緩機殼溫度上升的情況，透過降低積體電路 (IC) 平均接點溫度 (有些情況下則是減少或消除強制空氣冷卻) 而延長產品壽命。相反的，省去產品外殼或控制面板的通風孔插槽將可減少 PCB 表面的灰塵與蒸氣，避免設備長期暴露在嚴苛環境下，造成運作時現場設備出現問題。

減少功耗也代表能夠縮小電源供應磁性元件的整體尺寸。這樣的尺寸縮減當然可帶來更小的機殼選擇。

ADC解析度

雜訊來源可能會限制資料擷取系統 (從參考電壓和輸入訊號調節電路) 的量測解析度，但我們也有許多令人滿意的元件選擇，可幫助減少雜訊影響。值得爭論的是，對震動/聲音監測與通用資料擷取等任何測量 AC 訊號的工業設備系統解析度而言，轉換器都是非重要的元素。轉換器不應有任何會限制量測解析度的音調和其他寄生頻率，而應有低寬頻雜訊以解決較小的訊號位準，以及低失真以獲得良好頻譜性能。

圖 2 便是精確資料擷取系統頻譜性能的好例子。此資料使用的系統元件也是 THS4551、REF6041 和 ADS127L11。

圖 2、ADC 頻譜性能

ADC頻寬

進行 AC 訊號精確擷取期間，轉換器的頻率特性應接近理想，即需平緩通帶與低漣波、較尖銳的轉換頻帶以盡可能節省頻帶，並在奈奎斯特頻率下具完整效果的帶阻，以降低訊號混疊。一旦發生訊號混疊，便無法透過後處理修正訊號，因此必須以盡可能經濟的方式衰減頻外訊號。

寬頻 ΣΔ ADC 可提供這些濾波器特性，包含混疊的重要功能。寬頻 (或磚牆濾波器) 來自具上述通帶、轉換頻帶及帶阻性能的數位濾波器。濾波器本身靠過取樣的概念運作，為取得最佳功率與解析度指標，通常會搭配 ΣΔ ADC 使用。圖 3 說明典型寬頻 ADC 的頻率響應。

圖 3、寬頻 ADC 濾波器響應

寬頻濾波器的帶阻衰減可省去對外部抗混疊濾波器的需求 (通常在連續漸進式暫存器 ADC 中會需要這種濾波器)，兩者的設計都可在奈奎斯特頻率下提供訊號衰減。若使用同等級的外部抗混疊濾波器，執行成本將會十分高昂。避免外部濾波器可節省設計與元件成本，並可防止許多頻內相移。

轉換器寬頻濾波器的抗混疊屬性會拒絕壓電感測器產生的頻外訊號。例如震動監測系統中常見的壓電加速度計感測器，其共振頻率可比一般訊號位準高出 +20 dB。這樣的共振頻率會在感測器響應要衰減前發生。如果共振受到激發，共振峰值 (以及其他發生在奈奎斯特以上的頻率) 將會混疊到帶通上，造成訊號頻率分析不正確。圖 4 說明典型高頻共振峰值的壓電加速度計頻率響應。

圖 4、共振時的壓電加速度計與響應峰值

將寬頻濾波器整合到轉換器中的其中一個缺點，是濾波器實作中許多邏輯閘所需的矽晶區域。ADC 的 IC 設計人員可運用小電晶體尺寸與相關低臨界電壓降低功耗，但電晶體同時也需適用類比，也就是說，可達到優異的類比區段雜訊和線性效能。TI 已開發符合這兩種準則的 IC 程序。

較小的電晶體幾何可減少與邏輯閘相關的雜散電容 (C)，進而降低內部功率損失。等式 1 說明在時脈頻率 (f) 和運作電壓 (V) 下的功率損失 (P)。

P = V2 × f × C (1)

降低臨界電壓可減少與 V2 電源供應相關的功率損失。另一個優點是可藉由 ADC 數位區段中使用的小型電晶體減少鋒值切換電流，進而降低類比區段中的數位切換雜訊耦合。

結論

德州儀器運用 ADS127L11，設計封裝體積縮小 50%、功耗降低 50%、3-dB 強化解析度，以及訊號頻寬比現有寬頻轉換器寬 50% 的寬頻 ADC。ADS127L11 可整合尺寸與功率元素，而不犧牲解析度或頻寬。

在選擇精確寬頻 ADC 時，設計人員不再需於功耗、套裝尺寸、解析度與量測頻寬最佳化間做選擇。對下一代資料擷取設備而言，選擇轉換器變得更簡單，因為 TI 可處理對小巧體積、低功耗與進階解。

其他資源

以體積縮小 50% 的封裝提供更高的 AC 與 DC 性能，利用 ADS127L11 精確寬頻 ADC 實現最大通道密度。(1750字；圖4)

作者：德州儀器 Mark Berarducci

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