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TI精益求精的ADC構(gòu)筑工業(yè)系統(tǒng)核心

作者: 時(shí)間:2016-10-16 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

從近兩年德州儀器(TI)的各種舉措不難發(fā)現(xiàn),TI的整體策略是著重往工業(yè)、汽車行業(yè)發(fā)展。那么TI為什么那么重視工業(yè)應(yīng)用呢?從HIS公司2014年第二季度公布的數(shù)據(jù)來(lái)看,2013年全球工業(yè)半導(dǎo)體市場(chǎng)達(dá)到320億美元,并預(yù)計(jì)未來(lái)幾年該市場(chǎng)將平穩(wěn)增長(zhǎng),到2018年將達(dá)約450億美元。目前,TI在工業(yè)半導(dǎo)體市場(chǎng)約占8%的市場(chǎng)份額,雖然處于領(lǐng)先地位,但是仍然有很大的成長(zhǎng)空間。TI的“模擬帝國(guó)”是其引以為傲的,也是其在工業(yè)半導(dǎo)體大展拳腳的最大籌碼。模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為連接模擬和數(shù)字世界的接口,一直是TI重視的產(chǎn)品。近日,TI就針對(duì)工業(yè)應(yīng)用推出了兩款新的ADC,TI中國(guó)區(qū)高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理宋浩然先生專程向記者介紹了新品,并講述了TI如何讓ADC與其他器件、工具配合服務(wù)于復(fù)雜的工業(yè)應(yīng)用。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201610/307919.htm

圖1 TI中國(guó)區(qū)高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理宋浩然

整個(gè)工業(yè)行業(yè)都在說(shuō)工業(yè)4.0,在這場(chǎng)新的工業(yè)革命背后模擬IC是核心。宋經(jīng)理表示:“工業(yè)系統(tǒng)中的每一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)都相對(duì)復(fù)雜。如圖2所示,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在所有的工業(yè)器件選擇或者應(yīng)用中起著非常重要的作用。不同數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品就會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)的速度、精度、整體功耗等各個(gè)方面帶來(lái)變化。這也是為什么我們重點(diǎn)為大家介紹TI最新開(kāi)發(fā)的ADC3k產(chǎn)品以及ADS8688產(chǎn)品系列。這些產(chǎn)品的問(wèn)世會(huì)對(duì)相關(guān)領(lǐng)域帶來(lái)很大的變化。”

圖2 工業(yè)系統(tǒng)的通用框圖

性能功耗比最佳的ADC3k

ADC3k具有業(yè)界最低功耗和最佳性能功耗比,在160 MSPS的最快采樣速率下,每通道功耗僅為200 mW,比市場(chǎng)同類產(chǎn)品低80 mW,可提供高達(dá)30%的功耗性能比。速率在25 MSPS時(shí),功耗可低至44 mW。此外,ADC3k還有獨(dú)特的性能特性:可選高頻脈動(dòng)及斬波功能不僅可改善無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR),而且還可消除1/f噪聲,可幫助設(shè)計(jì)人員優(yōu)化器件性能,滿足系統(tǒng)需求。這些特性,使其不僅適用于高性能電機(jī)控制、醫(yī)療影像與便攜式測(cè)量測(cè)試等工業(yè)應(yīng)用,而且也適合軟件定義無(wú)線電與 MIMO 通信等應(yīng)用。ADC3k是系列的產(chǎn)品,速度從25 MSPS到160 MSPS,可以負(fù)責(zé)不同采樣率的ADC。它提供雙通道或四通道,接口有LVDS和JESD204B兩種,因此采樣率、通道數(shù)變化、接口變化讓整個(gè)產(chǎn)品系列有32顆產(chǎn)品。

TI模擬產(chǎn)品是全而廣的,可以搭配使用也是其優(yōu)勢(shì)之一。宋經(jīng)理介紹到:“TI還專門配合ADC3k,推出了全新放大器THS4541以提升ADC3k的性能。THS4541具有出色的諧波失真性能與超低功耗,可最大限度提高性能。TI在開(kāi)發(fā)這兩款產(chǎn)品時(shí)就相互考慮著對(duì)方,這兩個(gè)產(chǎn)品在應(yīng)用中也最好是成對(duì)出現(xiàn)。”

精益求精的ADS8688

除了低功耗,系統(tǒng)整體精度往往是做高性能產(chǎn)品的企業(yè)最關(guān)心的問(wèn)題。為此,宋經(jīng)理介紹了TI新推出的一款SAR ADC ADS8688系列,其可實(shí)現(xiàn)最高總體系統(tǒng)精度:支持業(yè)界最低增益漂移、失調(diào)電壓及失調(diào)漂移,以及最高精度參考,可實(shí)現(xiàn)超過(guò)99.9%的高精度。

ADS8688系列集成了20款有源器件,能夠與無(wú)需信號(hào)調(diào)節(jié)的各種傳感器類型直接連接。 宋經(jīng)理補(bǔ)充到:“用昂貴的分離元件也可以實(shí)現(xiàn)所需的結(jié)果,但非常復(fù)雜、昂貴,TI用一顆芯片就保證了最低增益漂移、失調(diào)電壓漂移以及更高精度和更高性能比。TI把工程師需要校正的工作放在TI測(cè)試過(guò)程中,把需要人工測(cè)試的步驟集成到芯片內(nèi)部,并完成以前需要人工校驗(yàn)才能完整的功能和性能,我個(gè)人認(rèn)為它是一款劃時(shí)代的產(chǎn)品。”

除了高精度,其最大的特點(diǎn)就是允許高達(dá)±10.24 V的輸入范圍通過(guò)單5 V電源供電。宋經(jīng)理表示:“工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)干擾比較大,導(dǎo)致需要的信號(hào)也非常大,因此它的輸入可以高達(dá)10.24 V,這是非常標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)信號(hào),范圍也很寬。過(guò)去要處理±10 V的信號(hào),電源最起碼要12 V或15 V,導(dǎo)致電源系統(tǒng)非常復(fù)雜。ADS8688只用5 V電源,客戶可以完全節(jié)省掉正負(fù)電源的設(shè)計(jì),PCB上不需要±10 V或±12 V的信號(hào)。”

重新定義高精度的概念

針對(duì)精度問(wèn)題,宋經(jīng)理表示:“TI的ADC、DAC產(chǎn)品線在不斷重新刷新高精度。其實(shí)高精度不僅僅是采樣速度越來(lái)越快,數(shù)據(jù)分辨率越來(lái)越高,這兩者的確是代表著ADC的標(biāo)尺,但實(shí)際還有很多其他的指標(biāo)來(lái)代表ADC的高精度。比如首款電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器(LDC1000),它已經(jīng)讓我們感覺(jué)到了它的高精度不僅是比特?cái)?shù)、位數(shù)和速度,它的高精度體現(xiàn)在直接對(duì)電感信號(hào)的測(cè)量,因此要重新定義高精度的概念。如果說(shuō)你無(wú)限地要求高精度、高采樣率,其實(shí)在我們的設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中不是一件難事,無(wú)非就是增加功耗、減小半導(dǎo)體工藝尺寸。但如果只是為了這個(gè)指標(biāo),而不是做最終的產(chǎn)品,就是徒勞的。最終的產(chǎn)品不僅是要看這兩個(gè)指標(biāo),還有綜合性指標(biāo),這是TI一直致力去提升的指標(biāo),要想其達(dá)到非常高的水平是非常難的。”

借著探究精度的這個(gè)機(jī)會(huì),宋經(jīng)理也為大家分析了一些人對(duì)于嵌入式處理器中集成的轉(zhuǎn)換器的誤區(qū):“大家看到越來(lái)越多的MCU集成ADC,的確,包括TI的在內(nèi)的處理器廠商都在這樣做,并且集成了比特?cái)?shù)和速度越來(lái)越高的ADC,它的效果是在分辨率上,分辨率和精度這兩個(gè)指標(biāo)經(jīng)常被混淆,我們常說(shuō)的16位、14位,這些都是分辨率,也就是ADC可以分辨的最小刻度,而客戶關(guān)注的是工業(yè)指標(biāo)(千分之一或萬(wàn)分之五),是精度。精度是從輸入到輸出,MCU采樣,其間所有誤差的累計(jì),從最小信號(hào)到最大信號(hào),不管輸入什么信號(hào),所測(cè)試的線路加起來(lái)能夠達(dá)到千分之一,這是精度的概念。當(dāng)然,并不是ADC的精度越高,系統(tǒng)的精度就越高。即使用24位ADC,如果前端不好,中間電路設(shè)計(jì)不合理,可能連1/10都達(dá)不到。”

以ADS8688為例,其中集成了20款有源器件,經(jīng)過(guò)測(cè)試和校驗(yàn),其最終達(dá)到的效果最大值也只有千分之零點(diǎn)五,也就是萬(wàn)分之五,比特?cái)?shù)就是11位。ADS8688也是16位的分辨率,但精度是二千分之一。它不僅包含精度的問(wèn)題,還要把外圍的器件加起來(lái),統(tǒng)計(jì)所有的誤差后而實(shí)現(xiàn)的精度,這才是客戶所關(guān)心,即整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到多少精度。

ADC等模擬器件集成更多的有源器件是一種趨勢(shì),宋經(jīng)理認(rèn)為這是一把雙刃劍:“集成度的提高肯定會(huì)帶來(lái)其他問(wèn)題,可能它的覆蓋率沒(méi)有原來(lái)那么寬了,但它的針對(duì)性會(huì)更加明顯。例如ADS8688在集成了20多個(gè)有源器件之后更加適用于PLC應(yīng)用了。

TI Design技術(shù)模式

TI Design是去年開(kāi)始TI著重向工程師推廣的一種“技術(shù)模式”,就像商業(yè)模式一樣,這種模式也有待慢慢地培育,一旦成熟,將給TI帶來(lái)豐厚的利潤(rùn)。因?yàn)楣こ處煂⒉皇琴I你一款芯片,而是整套參考設(shè)計(jì)中涉及的IC。

針對(duì)ADC3k,TI提供了高性能單端至差分有源接口參考設(shè)計(jì)TIDA-00294。該參考設(shè)計(jì)除了ADC3k還包括 THS4541 和 LMK04828 時(shí)鐘抖動(dòng)清除器,針對(duì)AC及DC耦合單端輸入應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化,可滿足電機(jī)控制、醫(yī)療影像、便攜式測(cè)量測(cè)試以及國(guó)防軍備的應(yīng)用需求。針對(duì)ADS8688,有兩個(gè)參考設(shè)計(jì):(1)TIPD167,適用于電力自動(dòng)化的 8 通道多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),包含理論、組件選擇、仿真、驗(yàn)證和測(cè)量性能等,可深入了解采用多路復(fù)用 ADC 補(bǔ)償多相位計(jì)量系統(tǒng)的方法,支持±10 V振幅的0.002 036°補(bǔ)償相位差,典型頻率為 50 Hz;(2)TIDA-00164:適用于PLC應(yīng)用的單電源模擬輸入模塊設(shè)計(jì),其符合 IEC-61000 標(biāo)準(zhǔn)。

目前,TI主要專注于4個(gè)重要的工業(yè)領(lǐng)域:工廠自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制以及名聲大噪智能電網(wǎng)。TI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器正在重新定義高精度、推進(jìn)速度極限,并支持更便捷的設(shè)計(jì),努力幫助其工業(yè)客戶改變?cè)O(shè)計(jì)和產(chǎn)品面貌,迎接工業(yè)4.0時(shí)代。



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