目前，工業產品趨向小型化發展，該趨勢為精密數據采集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，同時在更高的帶寬下實現更精確的信號測量并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性能，用戶就會優先選擇更小、更輕的便攜式或半便攜式數據采集設備，因為此類設備更容易在實驗室或在外進行移動使用。小型化可編程邏輯控制器插件模塊在工廠車間的控制面板內占用更少的空間，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 顯示了數據采集系統的布局，該系統使用 TI 具有四階低通濾波器的 THS4551 全差分放大器、具有集成緩沖器的 REF6041 電壓基準和 ADS127L11 寬帶 ADC。鑒于新技術的進步，值得注意的是轉換器不再是設計中最大的元件。

圖 1：典型的模擬前端印刷電路板 (PCB) 布局布線

ADC 功耗

更大限度地降低功耗對于延長便攜式設備的電池運行時間很重要，此外，實現低功耗也意味著可以設計出更小、更輕的設備，并盡可能地降低成本。例如，將四節并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，從而通過降低集成電路 (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，盡管去掉產品外殼或控制面板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 分辨率

產生噪聲的源會限制數據采集系統（來自基準電壓和輸入信號調節電路）中的測量分辨率，但許多令人滿意的可選元件也可以幫助盡可能減少噪聲源的影響。可以說，影響任何測量交流信號（例如振動/聲學監測和通用數據采集）的工業設備系統分辨率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分辨率的雜散頻率，但應具有低寬帶噪聲（可解決小信號電平）和低失真，從而實現良好的頻譜性能。

圖 2 是精密數據采集系統良好光譜性能的示例。針對本示例中展示的數據，所采用的系統元件也是 THS4551、REF6041 和 ADS127L11。

圖 2：ADC 頻譜性能

ADC 帶寬

在精確采集交流信號期間，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（可盡可能多地節省帶寬）以及在奈奎斯特頻率下完全有效的阻帶（可更大限度減少信號混疊）。一旦出現信號混疊，便無法通過后處理來校正信號，因此盡可能經濟地衰減帶外信號非常重要。

寬帶 Δ-Σ ADC提供這些濾波器特性，包括抗混疊的關鍵功能。寬帶或磚墻式濾波器基于具有上述通帶、過渡頻帶和阻帶性能的數字濾波器。濾波器本身只能通過過采樣的概念來實現，并且為了獲得理想功率和分辨率指標，通常與 Δ-Σ ADC 結合使用。圖 3 顯示了典型寬帶 ADC 的頻率響應。

圖 3：寬帶 ADC 濾波器響應

寬帶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。寬帶濾波器和逐次逼近寄存器 ADC 都可在奈奎斯特頻率下提供信號衰減。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，并避免大量帶內相移。

轉換器寬帶濾波器的抗混疊特性可抑制壓電傳感器產生的帶外信號。例如，振動監測系統中常見的壓電加速度計傳感器的諧振頻率比正常信號電平最多高出 +20dB。該諧振頻率出現在傳感器響應滾降之前。如果諧振被激發，諧振峰（以及出現的高于奈奎斯特的其他頻率）可能會混疊到通帶，導致信號的頻率分析不正確。圖 4 顯示了具有典型高頻諧振峰值的壓電加速度計的頻率響應。

圖 4：在諧振條件下具有響應峰值的典型壓電加速度計

將寬帶濾波器集成到轉換器中的缺點在于濾波器實現中很多邏輯門需要占用硅片面積。ADC 的 IC 設計人員可以利用小晶體管尺寸和相關的低閾值電壓來降低功耗，但同時需要模擬友好型晶體管來實現出色的模擬部分噪聲和線性性能。TI 已開發出滿足這兩個標準的 IC 工藝。

小晶體管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。另一個優勢是通過 ADC 數字部分中使用的小晶體管尺寸降低了峰值開關電流，從而減少了數字開關耦合到模擬部分的噪聲。

結語

借助ADS127L11，TI 設計了一款寬帶 ADC，與現有寬帶轉換器相比，其封裝尺寸減小了 50%，功耗降低了 50%，分辨率提高了 3dB，信號帶寬增加了 50%。ADS127L11 在不犧牲分辨率或帶寬的情況下，平衡了尺寸和功率因素。

在選擇精密寬帶 ADC 時，設計人員不再需要在優化功耗、封裝尺寸、分辨率和測量帶寬之間進行選擇。TI 可滿足對越來越小的外形尺寸、更低功耗和更高分辨率的需求，讓您可以為下一代數據采集設備輕松選擇轉換器。

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原文標題：技術干貨 | 平衡精密數據采集系統的 ADC 尺寸、功耗、分辨率和帶寬

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審核編輯:湯梓紅