【導讀】本文介紹新一代多路復用模數轉換器(ADC)如何提供更多通道、更深入的信號鏈集成、靈活性和魯棒性?xún)?yōu)勢，以簡(jiǎn)化復雜系統設計，從而支持在先進(jìn)工廠(chǎng)和生產(chǎn)設施中實(shí)現自動(dòng)化和過(guò)程控制。
簡(jiǎn)介
在現代生產(chǎn)設施中，適當的模擬前端(AFE)對于實(shí)現穩定可靠、精密準確的模數轉換至關(guān)重要。由于不同系統和機器之間存在差異，通常情況下，可以使用可編程邏輯控制器(PLC)來(lái)控制許多復雜的參數。為此，將通過(guò)模擬輸入模塊來(lái)利用不同的傳感器和信號。許多傳感器（例如壓力、流量、溫度和稱(chēng)重量傳感器）提供代表所測參數量的模擬輸出。因此，需要許多精密準確的模擬信號輸入來(lái)生成數字輸出。然而，模數轉換只是工作任務(wù)的一部分。生產(chǎn)設施中的節點(diǎn)、傳感器、模擬輸入模塊和PLC之間相互連接，生產(chǎn)環(huán)境中也充斥著(zhù)電氣噪聲和其他干擾因素（如EMI）。因此，穩定可靠的ADC對于在如此惡劣的條件下有效運行至關(guān)重要。
新型多路復用ADC具有高集成度、高精度，高度靈活且穩定可靠
PLC包含許多模擬電壓輸入，用以監控其系統，因此通道數較多。
例如，可以使用具有11個(gè)單端輸入或6個(gè)帶緩沖器的差分輸入的ADC來(lái)實(shí)現高通道數。單端或差分輸入特性使其可以與不同傳感器輕松連接。此外，對于使用外部檢測電阻進(jìn)行電流測量的情況，將其中一些通道分配到較低輸入范圍非常有用。在現代多路復用ADC中，例如AD411x系列中的某些器件，此類(lèi)檢測電阻已集成到器件中。
AFE還集成了關(guān)鍵的無(wú)源元件，例如采用ADI公司iPassives?技術(shù)的高精度、低漂移、匹配的1 MΩ和10 MΩ分壓器，因此無(wú)需昂貴的外部元件。這樣，可以充分縮減解決方案的尺寸、重量和電路板空間，在實(shí)現更高密度的同時(shí)，空間利用也更加優(yōu)化。
圖1.新一代多路復用ADC的內部結構
新型多路復用ADC（例如AD4116）是一款低功耗、低噪聲、24位Σ-Δ型ADC，其中集成了極高阻抗AFE。圖1顯示了該器件的內部結構。為實(shí)現更高靈活性，輸入可以獨立配置。每種設置都允許用戶(hù)使能或禁用緩沖器，校正增益和失調，選擇濾波器類(lèi)型，選擇輸出數據速率(ODR)，以及選擇基準電壓源。
靈活選擇不同的基準電壓源，有助于輕松完成設計任務(wù)。這些多路復用ADC具有多種基準電壓源選項，例如：內部低漂移2.5 V電壓源，通過(guò)差分Ref+和Ref-引腳提供的外部基準電壓源，或使用模擬電源(AVDD-AVSS)。對于外部基準電壓源，此類(lèi)ADC的兩個(gè)基準輸入端均有真正的軌到軌、集成精密單位增益緩沖器。這些緩沖器具有高輸入阻抗，使外部高阻抗信號源可以直接連接到這些輸入。
同樣，使用該ADC的用戶(hù)可以選擇時(shí)鐘源，例如內部振蕩器、外部晶振或外部時(shí)鐘，這種靈活性可簡(jiǎn)化設計過(guò)程。
在模擬端，從外設接收外部電壓的輸入端是決定多路復用ADC穩健性的關(guān)鍵因素。使用5 V單電源時(shí)，AD4116等現代多路復用ADC可以實(shí)現高達±20 V的輸入范圍。該ADC甚至可以接受超出這些范圍的輸入電壓而不會(huì )損壞器件，因為其絕對最大額定值為±65 V。然而，在該輸入范圍內，精度上可能會(huì )有所損失。TVS等外部保護器件（如圖2所示）可以在超出絕對最大額定值時(shí)保護ADC。在數字端，CRC校驗增強了接口的穩健性。
ADC輸入端的RC低通濾波器（如圖2所示）有助于抗混疊和噪聲濾波。重要的一點(diǎn)是，濾波電阻與ADC的輸入阻抗串聯(lián)放置。此電阻會(huì )影響內部分壓比，導致增益誤差。不過(guò)，當ADC的輸入阻抗非常高（例如10 MΩ）時(shí)，分壓誤差將非常小。例如，如果使用180 Ω，誤差僅為0.0018%左右。此外，該誤差可以通過(guò)系統校準或調整增益設置來(lái)消除。前者可利用新型多路復用ADC提供的校準模式來(lái)完成。這些現代ADC具有四種子校準模式：內部零電平、內部滿(mǎn)量程、系統零電平和系統滿(mǎn)量程。
除校準模式外，對于正常操作，還提供其他選項，包括連續轉換模式、連續讀取模式或單次轉換模式。為了在功耗預算有限的系統中節省功耗，用戶(hù)還可以激活待機或關(guān)斷模式。
額外的集成功能
新型多路復用ADC的高集成度帶來(lái)了更大的靈活性，尤其是在典型的自動(dòng)化應用中。例如，有四個(gè)集成通用輸入輸出(GPIO)引腳，其中兩個(gè)可配置為數字輸入或輸出，而另外兩個(gè)可以單獨配置為數字輸出(GPO)。這些GPIO或GPO引腳可用于控制額外的外部多路復用器。利用外部多路復用器可以進(jìn)一步增加通道數。另一個(gè)集成特性是可編程延遲模塊，它可以在A(yíng)DC開(kāi)始采樣之前使能。此延遲可以使外部多路復用器或放大器穩定下來(lái)。默認情況下，新型ADC生成24位轉換結果。但是，轉換結果的寬度可以通過(guò)一個(gè)控制位減少到16位，以便簡(jiǎn)化某些微控制器的數據處理。
集成式溫度傳感器可以幫助監控器件工作的環(huán)境溫度。它還可用于診斷目的，或者作為一個(gè)指標來(lái)判斷應用電路是否必須運行校準例程以補償工作溫度的可能變化。
圖2.典型連接圖
結論
新型多路復用ADC精度高且易于集成，可滿(mǎn)足現代生產(chǎn)設施和工業(yè)應用對高性能和魯棒性日益增長(cháng)的需求。與此同時(shí)，設計人員獲得了更大的靈活性，可以更快速輕松地滿(mǎn)足系統性能要求。
關(guān)于A(yíng)DI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導體公司，致力于在現實(shí)世界與數字世界之間架起橋梁，以實(shí)現智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng )新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數字化工廠(chǎng)、汽車(chē)和數字醫療等領(lǐng)域的持續發(fā)展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過(guò)120億美元，全球員工2.4萬(wàn)余人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶(hù)，ADI助力創(chuàng )新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪(fǎng)問(wèn)www.analog.com/cn。
關(guān)于作者
Hakan Uenlue是ADI公司高級現場(chǎng)應用工程師。他擁有斯圖加特大學(xué)電氣和電子工程碩士學(xué)位。他于2015年加入ADI公司，在此之前曾擔任硬件開(kāi)發(fā)人員和現場(chǎng)應用工程師。
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
抑制SPE單對以太網(wǎng)干擾：想找好用的電感器，往這兒瞧！
直擊碳排放核心來(lái)源，看這些芯片如何造就高能效工業(yè)設備？
滿(mǎn)足5G網(wǎng)絡(luò )應用需求的小型化連接器
