作者：德州儀器 Mark Berarducci
目前，工業產品趨向小型化發展，該趨勢為精密資料獲取系統帶來了新的挑戰。設計人員必須平衡整個系統的解決方案尺寸和功耗，同時在更高的頻寬下實現更精確的訊號測量並在此過程中進行權衡。
本文將詳細討論這些挑戰，重點介紹模數轉換器 (ADC) 在工業系統中的作用。
ADC封裝尺寸
正如人們對消費類電子產品不斷增長的需求，人們對減小工業設備的尺寸和功耗的需求也在日益增強。只要不影響產品的功能和效能，使用者就會優先選擇更小、更輕的可擕式或半可擕式資料獲取設備，因為此類設備更容易在實驗室或在外進行移動使用。小型化可程式設計邏輯控制器外掛程式模組在工廠車間的控制台內佔用更少的空間，其次，設備庫存和備件備用庫存需要的貨架空間更少。
當然，小型產品設計與內部電子設備的尺寸直接相關。圖1顯示資料獲取系統的佈局，該系統使用TI具有四階低通濾波器的THS4551全差分放大器、具有整合緩衝器的REF6041電壓基準和ADS127L11寬頻ADC。鑒於新技術的進步，值得注意的是轉換器不再是設計中最大的組件。
圖 1：典型的模擬前端印刷電路板(PCB)佈局佈線
ADC功耗
更大限度地降低功耗對於延長可擕式設備的電池執行時間很重要，此外，實現低功耗也意味著可以設計出更小、更輕的設備，並盡可能地降低成本。例如，將四節並聯的電池減少到三個。
降低功耗也可讓離線供電的設備受益。低功率耗散可降低外殼內的溫升，從而透過降低積體電路（IC）的平均結溫（在某些情況下，減少或消除強制空氣冷卻）來延長產品壽命。相比較而言，儘管去掉產品外殼或控制台上的通風槽可減少印刷電路板表面積聚的灰塵和蒸汽，但如果長時間暴露在惡劣環境中運行，則可能會導致現場設備出現問題。
降低功耗還意味著電源磁性元件的整體尺寸更小。當然，這種尺寸減小也意味著可以選擇更小的外殼。
ADC解析度
產生雜訊的源會限制資料獲取系統（來自基準電壓和輸入訊號調節電路）中的測量解析度，但許多令人滿意的可選元件也可以説明盡可能減少噪音源的影響。可以說，影響任何測量交流訊號（例如振動/聲學監測和通用資料獲取）的工業設備系統解析度的主要因素歸結為轉換器。轉換器不應具有音調和其他限制測量解析度的雜散頻率，但應具有低寬頻雜訊（可解決小訊號電平）和低失真，從而實現良好的頻譜效能。
圖2是精密資料獲取系統良好光譜效能的範例。針對本範例中展示的資料，所採用的系統元件也是THS4551、REF6041和ADS127L11。
圖 2：ADC頻譜效能
ADC頻寬
在精確採集交流訊號期間，轉換器應具有近乎理想的頻率特性：低紋波平坦通帶、陡峭過渡頻帶（可盡可能多地節省頻寬）以及在奈奎斯特頻率下完全有效的阻帶（可更大限度減少訊號混疊）。一旦出現訊號混疊，便無法透過後處理來校正訊號，因此盡可能經濟地衰減帶外訊號非常重要。
寬頻Δ-Σ ADC提供這些濾波器特性，包括抗混疊的關鍵功能。寬頻或磚牆式濾波器基於具有上述通帶、過渡頻帶和阻帶效能的數位濾波器。濾波器本身只能透過過取樣的概念來實現，並且為了獲得理想功率和解析度指標，通常與Δ-Σ ADC結合使用。圖3顯示典型寬頻ADC的頻率回應。
圖 3：寬頻ADC濾波器回應
寬頻濾波器具有阻帶衰減，無需使用外部抗混疊濾波器而通常需要一個逐次逼近寄存器ADC。寬頻濾波器和逐次逼近寄存器ADC都可在奈奎斯特頻率下提供訊號衰減。外部抗混疊濾波器的等效階數將非常高，且實施起來成本高昂。避免使用外部濾波器可節省設計和元件成本，並避免大量帶內相移。
圖 4：在諧振條件下具有回應峰值的典型壓電加速度計
將寬頻濾波器整合到轉換器中的缺點在於濾波器實現中很多邏輯門需要佔用矽片面積。ADC的IC設計人員可以利用小電晶體尺寸和相關的低閾值電壓來降低功耗，但同時需要類比友好型電晶體來實現出色的類比部分雜訊和線性效能。TI已研發出滿足這兩個標準的IC工藝。
小電晶體幾何形狀可降低與邏輯門相關的雜散電容(C)，從而降低內部功率損耗。公式1表示在時鐘頻率(f)和工作電壓(V)下工作的功率損耗(P)：
P = V2 × f × C (1)
降低閾值電壓可降低與V2電源項相關的功率損耗。另一個優勢是透過ADC數位部分中使用的小電晶體尺寸降低峰值開關電流，從而減少數位開關耦合到類比部分的雜訊。
結語
借助ADS127L11，TI設計一款寬頻ADC，與現有寬頻轉換器相比，其封裝尺寸減小50%，功耗降低了50%，解析度提高3dB，訊號頻寬增加50%。ADS127L11在不犧牲解析度或頻寬的情況下，平衡尺寸和功率因素。
在選擇精密寬頻ADC時，設計人員不再需要在優化功耗、封裝尺寸、解析度和測量頻寬之間進行選擇。TI可滿足對越來越小的外形尺寸、更低功耗和更高解析度的需求，讓您可以為下一代資料獲取設備輕鬆選擇轉換器。
