高端工業(yè)翹首以盼，TI 32位精密ADC破繭成蝶

　　目前，很多工業(yè)類廠商在做高端產(chǎn)品時(shí)顯得有點(diǎn)“巧婦難為無米之炊”，由于大部分性價(jià)比較高的全是24位Δ-Σ ADC，即使想提高精度也只能在不同廠商的24位Δ-Σ ADC中挑選，選一些溫漂較低的、有效位(ENOB)較高的、帶高精準(zhǔn)的基準(zhǔn)的，盡量向24位靠攏，但其實(shí)都離不開24位的架構(gòu)。更要命的問題在于：一個(gè)24位ADC，真正精度達(dá)不到24位，尤其是利用累加原理實(shí)現(xiàn)的Δ-Σ ADC。我們來看一些典型案例。

　　PLC系統(tǒng)發(fā)展至今，其中的ADC位數(shù)從10位到20位不等，16位ADC是目前應(yīng)用最多的，而24位ADC已經(jīng)是高位數(shù)了。一些PLC應(yīng)用，如石油勘探，對(duì)溫度控制要求更高，要求在全溫度范圍內(nèi)都有更高的分辨率，目前的24位ADC往往不夠用。

　　再如測(cè)量黃金、珠寶重量這類高精度測(cè)量，即使有毫克之差，也會(huì)帶來經(jīng)濟(jì)損失，因此也需要超過24位的ADC。

　　工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)用的各種采集板卡和系統(tǒng)需要在一個(gè)長(zhǎng)期的工作環(huán)境下采集數(shù)據(jù)，它要求兩種穩(wěn)定性：溫度的穩(wěn)定性、長(zhǎng)時(shí)間工作的穩(wěn)定性。把這兩種穩(wěn)定性要求落實(shí)到器件層面，就對(duì)芯片的溫漂提出了較高的要求，即低溫漂漂移的穩(wěn)定性，這對(duì)ADC發(fā)展非常重要。

　　工業(yè)設(shè)備的小型化和集成化趨勢(shì)也給芯片帶來了同樣的挑戰(zhàn)，一顆ADC需要包含輸入輸出、基準(zhǔn)、晶振，而在使用環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，設(shè)備往往要求具備診斷功能。

　　“Duang”不出的成功

　　工業(yè)界的這些需求，都讓ADC廠商“壓力山大”，作為全球模擬器件的領(lǐng)導(dǎo)者，德州儀器(TI)挺身而出，最新推出的32位精密Δ-Σ ADC ADS1262和ADS1263解決了上述問題，不但使自己破繭成蝶，也將幫助工業(yè)客戶突破技術(shù)瓶頸，爭(zhēng)奪工業(yè)4.0的大蛋糕。近日，TI模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理朱文斌先生專程來京，向記者詳述了新產(chǎn)品的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

　　“總體來看，24位ADC基本處于飽和狀態(tài)，需要在ADC本身架構(gòu)上、精度上有所突破。TI的新產(chǎn)品不是‘Duang’的一下出來，而是建立在ADS1220、ADS1248等產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，延續(xù)其優(yōu)勢(shì)，并順應(yīng)客戶產(chǎn)品路線以及工業(yè)4.0對(duì)于實(shí)時(shí)性、高速、高精度以及小型化的要求。新產(chǎn)品能保證TI在工業(yè)4.0越走越遠(yuǎn)，越做越好。”朱文斌先生介紹到。“ADS1262和ADS1263 ADC實(shí)現(xiàn)了更多的有效位、更高的系統(tǒng)可靠性和低偏移漂移。”

　　那么ADS1262和ADS1263內(nèi)部到底有什么呢?一句話來說就是“除了沒有MCU，其他都有”。例如32位Δ-Σ ADC、輔助 24 位增量-累計(jì) ADC (ADS1263才有)、2.5 V低漂移內(nèi)部基準(zhǔn)、7.3728 MHz的內(nèi)部時(shí)鐘、高阻抗可編程增益放大器 (PGA)、SINC + 50/60 Hz 數(shù)字濾波器、溫度傳感器、雙激勵(lì)電流源 (IDAC)、振蕩器、電平移位器、8個(gè)通用輸入/輸出 (GPIO) 引腳等，如圖1所示。

　　圖1 ADS1262和ADS1263內(nèi)部架構(gòu)

　　朱文斌先生談到了ADS1262和ADS1263的三大亮點(diǎn)以及對(duì)于高端工業(yè)應(yīng)用帶來的好處。

　　高速下的最高有效位

　　ADS1262和ADS1263具有32位高分辨率和27位有效位(ENOB)，在2.5 SPS數(shù)據(jù)速率下達(dá)到最高位分辨率，即只有7 nVRMS 噪聲，能準(zhǔn)確測(cè)量小信號(hào)，而對(duì)于輸入信號(hào)為10 mV 或者更小的電橋應(yīng)用是必不可少的。更重要的是，ADS1262和ADS1263能支持在38 kSPS采樣率的情況下還能做到16位的精度，這是相當(dāng)厲害的水準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)速率和精度的完美平衡。這就可以使模擬采集板卡之類的應(yīng)用在精度和速度方面有了更高的性能。

　　舉個(gè)例子，TI在傳統(tǒng)的PLC/DCS的某個(gè)客戶要做新一代的PLC系統(tǒng)，他提出的要求是：除了高精度之外，還要高速，即高密度的PLC。所謂的高密度PLC就是單個(gè)ADC能采樣很多通道，除了精度的要求還有高速的要求;同時(shí)還需要采樣不同的輸入信號(hào)，比如0~10 V，±10位、熱電偶、熱電阻，ADS1262和ADS1263很好地滿足了這類綜合性要求高的應(yīng)用場(chǎng)景。

　　玩轉(zhuǎn)“漂移”

　　工業(yè)應(yīng)用不是速度與激情，更需要的是穩(wěn)定，它是非?？咕?ldquo;漂移”的。ADS1262和ADS1263的偏移漂移為1 nV/°C，增益漂移為0.5 ppm/°C，積分非線性 (INL)為3 ppm，不但實(shí)現(xiàn)了同類產(chǎn)品中最佳的轉(zhuǎn)換精度，偏移誤差漂移也比同類解決方案低 80%，從而確保了整個(gè)溫度范圍內(nèi)的測(cè)量穩(wěn)定性(–40°C~+125°C )。

　　“以數(shù)據(jù)采集卡為例，其在常溫上要做到千分之一或萬分之五的精度不難，難就難在寬范圍溫度情況下都要做到這個(gè)精度。PLC的指標(biāo)很多都是分溫度段的，例如–40℃~0℃，0~80℃，以及80℃~125℃，因?yàn)樵谶@3個(gè)不同的分段ADC、參考基準(zhǔn)、運(yùn)放等芯片本身表現(xiàn)是不一樣。這其實(shí)也是困擾設(shè)計(jì)者的一個(gè)問題：如何在寬范圍的溫度范圍內(nèi)都保持一個(gè)很好的精度。而ADS1262和ADS1263 從芯片本身就幫助研發(fā)者解決了很多溫漂的問題，包括內(nèi)部高精度的基準(zhǔn)、低增益漂移和偏移漂移。”朱文斌先生再次用案例強(qiáng)調(diào)新產(chǎn)品在溫漂上的優(yōu)勢(shì)。“回顧10年前、甚至5年前PLC的設(shè)計(jì)問題，在考慮溫漂時(shí)可能要考慮外部基準(zhǔn)溫漂、ADC溫漂、運(yùn)放運(yùn)轉(zhuǎn)，再把所有累加在一起，用硬件、軟件做校準(zhǔn)，但效果卻不是很好。此外，很重要的一點(diǎn)，做溫漂的成本相當(dāng)高。有了ADS1262和ADS1263以后，PLC客戶的難題迎刃而解。”

　　集成與診斷

　　ADS1262和ADS1263所集成的內(nèi)部信號(hào)鏈監(jiān)視、數(shù)據(jù)誤差檢測(cè)、傳感器過載檢測(cè)等特性以及一個(gè)測(cè)試數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)，可為高可靠性系統(tǒng)提供必須的故障檢測(cè)和診斷。

　　朱文斌先生強(qiáng)調(diào)了所集成的電流DAC的優(yōu)勢(shì)：“電流DAC(IDAC)是工業(yè)線上經(jīng)常使用的熱電偶、RDD必須采用的電流源，很多PLC系統(tǒng)里進(jìn)行RTD測(cè)量時(shí)，如果IDAC還是用分立器件就需要外加電流源去做RDD測(cè)量，但這種效果不見得很好，搭雙路電流源的匹配性也不是很好。因此從集成度的角度來講，ADS1262和ADS1263基本已經(jīng)集成所有工業(yè)線上模擬信號(hào)輸入的采樣。”

　　ADS1262和ADS1263還集成了故障檢測(cè)和診斷功能。用戶能判斷PGA、ADC是否飽和。此外，它要具備傳感器的診斷功能，能判斷前面的溫度傳感器、RDD是斷路或短路，原因是里面集成了另外一路的電流源，它會(huì)發(fā)送一些比較小的電流到前端傳感器，從而判斷斷路或短路。

　　ADS1262和ADS1263還集成了一些標(biāo)定的功能，里面有專門的DAC能產(chǎn)生一系列信號(hào)去標(biāo)定這個(gè)鏈路是否正確或者芯片是否有問題。朱文斌先生表示：“很多客戶在搭這類系統(tǒng)時(shí)都會(huì)在外圍搭一堆標(biāo)定電路，典型做法是會(huì)加一些1 V或3 V基準(zhǔn)放在ADC前面，系統(tǒng)搭好之后會(huì)啟動(dòng)這些標(biāo)定電路，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，或者每次系統(tǒng)斷電重啟之后進(jìn)行一定標(biāo)定。這一是出于精度的要求;二是出于安全性的要求，因?yàn)檐浖?、硬件隨時(shí)可能發(fā)生問題，軟件會(huì)不可避免地產(chǎn)生漏洞，這種標(biāo)定電路板就顯得很重要了。ADS1262和ADS1263集成的一些標(biāo)定電路讓工程師方便地標(biāo)定整個(gè)信號(hào)鏈路。”

　　工業(yè)4.0從TI模擬開始

　　針對(duì)工業(yè)應(yīng)用的高精度和高集成度，ADS1262和ADS1263主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)自動(dòng)化、PLC及DSC、測(cè)試與測(cè)量、溫度測(cè)量。

　　朱文斌先生對(duì)這四類應(yīng)用分別進(jìn)行了解釋：“工業(yè)自動(dòng)化或過程自動(dòng)化里面的一些自動(dòng)控制需要很多模擬數(shù)據(jù)信號(hào)采集、溫度采集、壓力采集等，根據(jù)客戶本身的產(chǎn)品不同，它的表現(xiàn)形式多樣。PLC是比較傳統(tǒng)的應(yīng)用，也比較容易理解，DCS則是在PLC系統(tǒng)基礎(chǔ)上更進(jìn)階的大型控制系統(tǒng)，我們?cè)诎l(fā)電廠、火電廠、核電廠、石油勘探工廠或現(xiàn)場(chǎng)都會(huì)看到這樣一些大型系統(tǒng)去監(jiān)測(cè)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度、壓力等等。很多工業(yè)類應(yīng)用是對(duì)測(cè)試與測(cè)量精度的要求是非常高，可能要到毫克這樣的精度，所以24位肯定是不夠的，32位就能很好地解決這樣的問題。溫度測(cè)量其實(shí)工業(yè)自動(dòng)化有些是重疊的，但是還是有自身特點(diǎn)。溫度測(cè)量是ADS1262和ADS1263一個(gè)很重要的應(yīng)用范疇，里面集成了雙電流源的DAC，可以做RTP的測(cè)量。”

　　ADS1262和ADS1263最大的區(qū)別是，ADS1263多了一個(gè)24位Δ-Σ ADC。這能用來做什么呢?朱文斌先生給出了答案：“做熱電偶測(cè)量時(shí)，其實(shí)需要兩個(gè)通道的ADC，一個(gè)通道測(cè)量熱電偶，另外一個(gè)通道做冷節(jié)點(diǎn)的參考，一般使用RTD做冷節(jié)點(diǎn)參考。目前，高精度的熱電偶方案會(huì)有兩顆24位ADC，一顆24位的ADC做熱電偶前端采集，另外一顆24位ADC做冷節(jié)點(diǎn)補(bǔ)償，這樣成本也很高。ADS1263就是把這顆24位ADC放在里面，單顆芯片就可以做熱電偶的測(cè)量。”

　　這就是為什么ADS1262和ADS1263基本上顆單芯片就能解決問題的原因，也是TI一直致力于在做的，讓系統(tǒng)更集成化、小型化，順應(yīng)工業(yè)4.0的要求。

　　全方位加速設(shè)計(jì)

　　開發(fā)工具和參考設(shè)計(jì)是TI的強(qiáng)項(xiàng)。32位精密ADC作為TI重磅推出的產(chǎn)品，當(dāng)然也有很好的設(shè)計(jì)支持。例如性能開發(fā)套件，用于微軟視窗系統(tǒng)的ADCProTM評(píng)估軟件，可配置輸入、基準(zhǔn)、電源和時(shí)鐘源。朱文斌先生簡(jiǎn)單介紹了ADCProTM：“在插上之后它上面能顯示有效位、噪聲、分分值，基本能把ADC綜合性能評(píng)估出來，用戶可以在上面看到這個(gè)有效位是否滿足輸入輸出的要求，因此ADCpro軟件是很實(shí)用的。”

　　TI還推出了針對(duì)采用交流電橋勵(lì)磁的高分辨率、低漂移、高精度稱重天平的 TI Designs 參考設(shè)計(jì) (TIPD188)。能提升電橋測(cè)量的偏移和偏移漂移性能，加快上市時(shí)間，包括電路原理圖、物料清單 (BOM)和設(shè)計(jì)文件。

　　此外還有基于Excel的器件配置計(jì)算器，可檢查PGA輸入范圍要求，計(jì)算循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC)/校驗(yàn)和值，評(píng)估不同的SINC濾波器響應(yīng)，查看寄存器映射。

　　朱文斌先生特別強(qiáng)調(diào)了輸入/輸出緩沖器信息規(guī)范 (IBIS) 模型：“為什么這里會(huì)出現(xiàn)IBIS模型，因?yàn)镾PI數(shù)據(jù)輸入口速率很高，如果芯片和MCU有一定距離，會(huì)造成一些信號(hào)完整性的問題，信號(hào)完整性是除了精度要求以外另一個(gè)比較重要的話題，特別是在于PC端上高速信號(hào)完整性，它會(huì)牽涉EMI這些問題，特別是通信類的高速PC板。TI有這樣的模型可以給用戶做驗(yàn)證，從而可以知道布板、MCU距離怎么樣，布線怎么樣，SPI通信才能做到比較好的信號(hào)完整性，這對(duì)于模擬電路設(shè)計(jì)者來說是非常有價(jià)值的。”

　　在工業(yè)4.0下，模擬芯片的挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在高精度、高速及小型化上，ADS1262和ADS1263作為TI布局高端工業(yè)的排頭兵，性能是“秒殺全場(chǎng)”的，你還猶豫什么呢?快去體驗(yàn)吧!