想实现工业4.0？是时候告别24位ADC了

提及智能化或工业自动化，我们的第一反应往往是APP很强大、人机界面很炫或是主控芯片性能很高……但是，在这些看得到、感受得到的技术背后，模拟技术的作用其实是巨大的，它像一个低调的巨人，默默地支撑着智能化、自动化这些光鲜的技术应用从无到有、从基础到强大。 在可预见的未来，智能化也好，工业4.0也好，都对模拟技术提出了更高的需求。首先是高精度，为了保证工厂自动化以及控制自动化的质量及人身安全，对于模拟芯片的精度要求未来将会继续提升。其次是高速采集需求，在向全自动化的发展过程中，工厂需要十倍甚至百倍的数据点，因此对信号的高速和实时采集也是必不可少的要求，对模拟芯片特别模拟信号输入芯片的精度提出了更高的要求。此外，小型化是未来的必然趋势，因此也要求芯片持续向小型化、集成化的方向发展。 24位遭遇瓶颈，32位Δ-Σ ADC应时而生 那么，在目前的模拟数据采集芯片和解决方案方面，有哪些已经出现或者将要面临的技术挑战呢？ 德州仪器 (TI) 半导体事业部中国区模拟业务拓展经理朱文斌介绍，目前24位ADC在工业应用已经遇到瓶颈。以可编程逻辑控制器 (PLC)系统为例，其中的ADC位数从10位-20位不等，24位已经是最高的位数了。但是对于石油勘探等对温度控制要求很高的客户来说，他们在全温度范围内都要求更高的分辨率，24位往往不够用。由于性价比比较高的芯片全是24位Δ-Σ ADC，因此许多客户首先提出了更高精度的需求。此外，对于工业用高精度天平来说，也需要高于24位ADC的应用。24位的ADC市场已经基本处于饱和状态，亟需在本身的架构、精度上寻求突破。而除了高精度，对于工业现场用的各种采集板卡、系统来说，都要求温度和系统长时间工作的稳定性，因此要求IC器件具有低温漂漂移的特性。 顺应上述市场需求，TI在实时性、高速、高精度以及小型化等方向综合考量，推出了ADS1262/1263两款32位增量-累加模数转换器（Δ-Σ ADC），这两款器件将高分辨率、低噪声和集成故障检测组合在一起，成功解决了过去在器件评估和选型时，所需的性能和特性无法兼得的问题。 ADS1262/1263在2.5SPS采样率情况下，还能采到7nVRms均值信号的水平，这点对于输入信号为10mV以下或者更小的电桥应用是必不可少的。它们的偏移误差漂移也比同类解决方案低80%，从而确保了整个温度范围内的测量稳定性。38 kSPS的最大输出数据速率使得它们特别适用于高数据吞吐量工业应用中。 朱文斌进一步介绍，过去系统设计人员如果需要高分辨率ADC，则必须在其它技术规格方面做出让步，诸如低噪声、低漂移，或其它集成特性。而ADS1262/1263不仅可提供32位高分辨率，还具有快速数据速率和宽温度范围特性，以及高集成和故障检测功能，因此很好地解决了这些问题，从而能够帮助设计人员最大限度地提升PLC、工业自动化设备以及传感器测量应用的性能。 ADS1262集成了一个可编程增益放大器 (PGA)、2.5V基准、振荡器、电平移位器、温度传感器、双激励电流源 (IDAC) 以及8个通用输入/输出 (GPIO) 引脚。而ADS1263与ADS1262最大的区别在于，它在需要并行主通道转换、传感器温度补偿或传感器诊断的系统中增加了一个辅助24位Δ-Σ ADC。朱文斌解释，之所以增加这样一个ADC，主要是在做热电偶测量时，需要两个通道的ADC，一个通道用来测量热电偶，另一个通道做冷节点的参考，目前高精度的热电偶方案多数采用了两个24位ADC，而ADS1263单颗芯片就可以完成。 Δ-Σ ADC的精度提升难点在哪里？ 为什么市面上24位ADC的使用比较广泛，而32位的产品并不多见呢？ADC精度的提升难点在哪里？ 朱文斌认为不同种类的ADC面临不同的难度，以SAR ADC和Δ-Σ ADC为例，提高精度有着不同的发力方向。SAR ADC是逐次递进型的，是真正的模拟芯片，现在市面上的SAR ADC做到18位已经很了不起了，它最大的局限是工艺。而对于Δ-Σ ADC来说，朱文斌认为它更像数字芯片，因为它由两部分组成，第一部分是调制器，调制出来PWM码流再给后面的数字滤波器进行滤波，它比较受局限的正是后面的数字滤波器的设计。而数字滤波器理论上来讲二阶、三阶最稳定，如果做到四阶、五阶它的稳定性就会出问题。所以，32位ADC需要在数字滤波器上做更多的优化。 如您对模拟电子类产品感兴趣，欢迎参加2015年IIC-China秋季展（8月31日~9月3日，深圳会展中心3号馆）。提前注册抢座，请点击或扫描下面的二维码：

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