【導(dǎo)讀】3月22日消息,當(dāng)今復(fù)雜的分布式系統(tǒng)正在采集和分析更多的模擬數(shù)據(jù),同時(shí)還提供監(jiān)控和診斷功能。隨著這些系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜,對(duì)精確測(cè)量模擬信號(hào)的關(guān)鍵需求不斷增加。為了更好地滿足這些精度要求,設(shè)計(jì)人員往往要在集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的微控制器(MCU)和獨(dú)立的ADC之間做出選擇。那么,集成ADC和獨(dú)立ADC之間有什么區(qū)別,哪個(gè)更適合你的應(yīng)用呢?
首先,讓我們探討一下集成式和獨(dú)立式ADC的性能權(quán)衡,然后我們可以確定如何為您的應(yīng)用做出正確的選擇。
集成式ADC:性能權(quán)衡
工藝技術(shù)
讓我們從做集成ADC的設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體集成電路(IC)工程師的角度來(lái)看ADC。由于ADC是MCU的外設(shè),所以集成ADC設(shè)計(jì)者會(huì)傾向于使用MCU友好的工藝,比如小幾何28-nm工藝,它為MCU提供了良好的數(shù)字密度和高速晶體管。雖然小幾何工藝也可以減小ADC的尺寸,但這種方法有很大的折衷。
由于工藝成本大幅提高,ADC的相對(duì)成本將增加。
工藝上可用的元件尺寸將增加ADC的固有噪聲,特別是熱噪聲,或kT/C噪聲。
ADC設(shè)計(jì)中用于降低熱噪聲的較大電容將成為較小幾何工藝的重要設(shè)計(jì)限制(在較小幾何上實(shí)現(xiàn)模擬性能所需的元件在幾何上更具挑戰(zhàn)性)。
較小幾何尺寸的電容器將在設(shè)計(jì)中引入漏電和非線性。
匹配問(wèn)題不像大幾何工藝(如90納米或180納米)那樣可控,將導(dǎo)致制造工藝缺乏控制,以及ADC參數(shù)性能的變化。
小幾何工藝的另一個(gè)挑戰(zhàn)是1/f噪聲。1/f噪聲在低頻時(shí)占主導(dǎo)地位,并且從dc開始大約以1/√(頻率)的系數(shù)下降。在較高的頻率下,白噪聲在一個(gè)稱為角頻率的點(diǎn)上開始主導(dǎo)1/f噪聲(圖1)。如果設(shè)計(jì)者想通過(guò)使用數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)(如平均或過(guò)采樣)來(lái)提高性能,他們需要確保他們的采樣值只包含白噪聲而不是1/f噪聲。
1. 白噪聲是噪聲頻譜的平坦部分:1/f噪聲存在于較低的頻率,在角頻率處大約上升出白噪聲。
較小的幾何過(guò)程與較大的幾何過(guò)程的問(wèn)題是,角頻率偏高--明顯偏高。這正是為什么數(shù)字濾波技術(shù),如平均或過(guò)采樣,在高1/f角頻率的系統(tǒng)中不能提高系統(tǒng)性能。事實(shí)上,在某些情況下,數(shù)字濾波技術(shù)會(huì)降低系統(tǒng)性能。簡(jiǎn)而言之,工藝的局限性將最終決定ADC的可實(shí)現(xiàn)性能(圖1,再次)。
IC布局
如果MCU被拼裝在ADC旁邊的IC上,ADC的模擬性能將受到以下影響:
快速開關(guān)的MCU將把開關(guān)噪聲和接地反彈引入電路,特別是由于尺寸縮小到IC的面積,使得問(wèn)題成倍地難以解決。
時(shí)鐘同步和管理技術(shù)可用于將這些影響降至最低,但外設(shè)和異步事件的相互作用仍會(huì)影響ADC性能。
溫度
第三個(gè)挑戰(zhàn)是模擬性能的最大敵人之一:溫度。坐在ADC旁邊的MCU會(huì)像一個(gè)可變的溫度源,從高速有源電源(熱)到待機(jī)、睡眠或休眠(不那么熱)。這樣的溫度變化會(huì)導(dǎo)致電子電路(尤其是模擬電路)發(fā)生不好的事情。
為了在時(shí)變的溫度環(huán)境中實(shí)現(xiàn)可預(yù)測(cè)的性能,需要增加溫度補(bǔ)償電路。這就增加了系統(tǒng)的尺寸和成本,這是集成ADC難以承受的奢侈品。
測(cè)試成本
MCU是數(shù)字設(shè)備,因此,它們?cè)跀?shù)字測(cè)試平臺(tái)上使用數(shù)字測(cè)試矢量進(jìn)行測(cè)試。數(shù)字測(cè)試方案經(jīng)過(guò)優(yōu)化,在最短的測(cè)試時(shí)間內(nèi)對(duì)數(shù)字參數(shù)進(jìn)行測(cè)試,以在最少的時(shí)間內(nèi)通過(guò)最多的單元量。
如果這些數(shù)字測(cè)試平臺(tái)具有模擬測(cè)試能力,往往是有限的、低性能的模擬測(cè)試能力。這就使得測(cè)試平臺(tái)缺乏精度和噪聲,難以測(cè)試模擬性能的水平。這就是為什么MCU上模擬外設(shè)的規(guī)格通常是 "通過(guò)設(shè)計(jì)保證 "或 "通過(guò)特性化保證"。這些測(cè)試器的其他一些限制因素是:
它們通常只能測(cè)試模擬功能,或者說(shuō)模擬在做什么,而且通常沒(méi)有能力準(zhǔn)確測(cè)試模擬在溫度上的性能。
測(cè)試儀的限制隨后限制了ADC的性能規(guī)格(如果你的測(cè)試儀只有100-ksample/s、8位的能力,你就無(wú)法測(cè)試指定為1-Msample/s、12位ADC性能的器件)。
在數(shù)字測(cè)試平臺(tái)上增加精密模擬測(cè)試能力是不實(shí)際的。它需要增加一個(gè)數(shù)量級(jí)的測(cè)試成本,這將使器件成本有相應(yīng)的增加。
獨(dú)立的ADC:性能權(quán)衡
工藝技術(shù)
對(duì)于獨(dú)立的ADC,由于ADC是主要元件,而MCU是ADC的外設(shè),因此IC設(shè)計(jì)者可能會(huì)選擇使用對(duì)ADC友好的制程,如180納米制程,為ADC提供更大的匹配良好的元件。然而,這種工藝有一個(gè)基本的折衷,將限制ADC的性能。
通過(guò)使用更大的幾何工藝,設(shè)計(jì)者將不會(huì)擁有針對(duì)數(shù)字處理或串行通信的優(yōu)化工藝。相反,它將不得不依靠模擬設(shè)計(jì)和布局技術(shù)來(lái)確保數(shù)字性能。這種缺乏小數(shù)字密度和速度優(yōu)化的情況將增加器件的成本,數(shù)字性能將受到工藝的限制。
IC布局
在管理噪聲方面,獨(dú)立的ADC與集成ADC方式相比有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)。
器件上的其他外設(shè)不會(huì)影響模擬性能。
開關(guān)噪聲可以得到管理,因?yàn)殛P(guān)鍵的模擬功能可以在時(shí)鐘安靜時(shí)執(zhí)行。
溫度
同樣,模擬性能的最大敵人是溫度,但獨(dú)立ADC在這種情況下比集成ADC更有優(yōu)勢(shì),因?yàn)椤?/div>
ADC旁邊沒(méi)有時(shí)間變化的溫度源(比如MCU)。
由于這個(gè)過(guò)程是模擬友好的,所以可以很容易地添加模擬友好的溫度補(bǔ)償電路,以盡量減少溫度變化的影響。
測(cè)試成本
ADC是模擬器件,因此要在模擬測(cè)試平臺(tái)上使用精密模擬設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。但是,這也有大大增加測(cè)試成本的因素。
與數(shù)字測(cè)試平臺(tái)不同的是,數(shù)字測(cè)試平臺(tái)在測(cè)試機(jī)之間有嚴(yán)格控制的變化,而模擬測(cè)試平臺(tái)往往在負(fù)載板、模擬信號(hào)發(fā)生器和模擬測(cè)量系統(tǒng)之間有很多變化。由于需要校準(zhǔn),這通常會(huì)增加測(cè)試成本。另外,為了保證模擬電路在溫度上的性能,模擬電路的補(bǔ)償技術(shù)通常需要在最終測(cè)試時(shí)進(jìn)行溫度修整,以保證低溫漂移。
現(xiàn)在我們知道了混合信號(hào)和模擬的折衷,那么它們是如何影響準(zhǔn)確度和精度的呢?
準(zhǔn)確度和精度
準(zhǔn)確度和精密度是兩個(gè)經(jīng)常互換使用的術(shù)語(yǔ),但它們的含義卻截然不同。準(zhǔn)確度是指測(cè)量值與實(shí)際值相匹配的能力,在試圖測(cè)量一個(gè)特定的值時(shí)需要。精度是指測(cè)量值持續(xù)重現(xiàn)的能力,換句話說(shuō),是指測(cè)量的可重復(fù)性。測(cè)量的精度越高,就越能分辨出較小的差異。
例如,考慮一個(gè)體重秤。如果把1.000金衡盎司的金子放在秤上,測(cè)了三次,分別表示1.001、1.000和1.000,那么這就是高精度(0.0005-盎司標(biāo)準(zhǔn)差)和高精度(平均后誤差0.03%)。如果不同的秤得到的讀數(shù)是1.018、1.017和1.018盎司,那么這仍然算是精度高(0.0005-盎司標(biāo)準(zhǔn)差),但精度較低(1.8%的誤差)。
那么,精度和準(zhǔn)確度哪個(gè)更重要呢?嗯,這取決于應(yīng)用,但有很多情況下,精度和準(zhǔn)確度都需要。
準(zhǔn)確度
要確定您是否需要精度,首先要了解傳感器在您的應(yīng)用中是如何使用的。讓我們考慮一個(gè)使用負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻進(jìn)行溫度測(cè)量的例子。在NTC的電阻與溫度圖中,首先突出的是該器件的非線性(圖2)。
2. 熱敏電阻溫度特性曲線說(shuō)明了對(duì)電阻變化的溫度響應(yīng)。
如果設(shè)計(jì)者只需要在較低的環(huán)境溫度下測(cè)量NTC,那么可以使用較低分辨率的ADC。如果需要測(cè)量整個(gè)溫度范圍內(nèi)的溫度,那么必須考慮較高環(huán)境溫度下的最壞情況,這意味著要使用分辨率高得多的ADC。
要將其等同于系統(tǒng)精度,就要定義溫度范圍,并計(jì)算該范圍內(nèi)需要多少溫度精度。溫度范圍將被轉(zhuǎn)換為ADC的模擬電壓輸入范圍。精度將是應(yīng)用所能容忍的測(cè)量模擬輸入的最小偏差。
精度
其次,考慮精度。理想情況下,精度需要優(yōu)于精度。如果在系統(tǒng)的反饋回路中使用溫度讀數(shù),那么反饋回路應(yīng)該非常穩(wěn)定。如果精度比準(zhǔn)確度差,那么反饋環(huán)路可能會(huì)不穩(wěn)定。
ADC衡量精度和準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)
影響精度的重要ADC規(guī)格是積分非線性、微分非線性、偏移、偏移漂移、增益和增益漂移。為了確定精度,需要評(píng)估這些誤差源的貢獻(xiàn)。同樣,精度由術(shù)語(yǔ)有效位數(shù)(ENOB)定義。它告訴你在一組ADC讀數(shù)中看到的與真實(shí)平均值的偏差。換句話說(shuō),您所獲得的68.3%(或與平均值的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差)的ADC讀數(shù)將落在ENOB定義的范圍內(nèi)。
為了說(shuō)明這一點(diǎn),讓我們回到NTC的例子。假設(shè)NTC的輸出在整個(gè)溫度范圍內(nèi)校準(zhǔn)為線性,在-40°C時(shí)給出0 V,在85°C時(shí)給出2.5 V,而我們希望以1°C的精度進(jìn)行測(cè)量。因此,在125°C范圍內(nèi)的1°C精度就是整個(gè)范圍內(nèi)的0.8%精度。
假設(shè)我們有一個(gè)12位的ADC,總誤差為1 LSB,輸入范圍為2.5 V,那么從ADC測(cè)量的精度可以預(yù)期為1/4096或0.024%或2.5 V/4096位或610 µV/bit,這是所需精度的33倍。因此,從理論上講,一個(gè)12位ADC應(yīng)該有足夠的精度來(lái)滿足這些要求。
現(xiàn)在讓我們仔細(xì)看看一個(gè)新發(fā)布的MCU內(nèi)的12位、400-ksample/s集成ADC的例子。
在其數(shù)據(jù)表中,總未調(diào)整誤差(TUE)規(guī)定為-40至85℃的±1.8%。一個(gè)6位ADC的總誤差為1LSB,其精度為1.6%,那么12位ADC的其他6位呢?不僅如此,誤差也可以是正的或負(fù)的--ADC的讀數(shù)可能有3.6%或90-mV的變化。在這種情況下,隨溫度變化而產(chǎn)生的大的增益誤差對(duì)降低精度有很大的貢獻(xiàn)。這種較大的精度誤差是工藝技術(shù)固有限制的副產(chǎn)品。
事實(shí)上,在閱讀集成ADC的數(shù)據(jù)表時(shí)要非常小心。在某些情況下,由于集成ADC的噪聲、漂移和集成電壓基準(zhǔn)的性能差,集成ADC的數(shù)據(jù)表只規(guī)定了使用外部電壓基準(zhǔn)的ADC性能,這就違背了使用集成模擬元件的目的。因此,在這種情況下,集成ADC的精度還不夠好,無(wú)法滿足我們0.8%的要求。
那么,集成ADC的精度呢?從精度規(guī)格來(lái)看,ENOB為11.1位,相當(dāng)于2.5-V模擬輸入信號(hào)的分辨率約為1.1-mV。精度是其精度的80倍左右。其結(jié)果是,集成ADC的誤差為90.7 mV,精度約為1.1 mV rms。通過(guò)使用外部參考,可以提高集成ADC的精度。但是,由于ADC的指定方式,外部參考能提高多少精度性能還不得而知。
接下來(lái),可以考慮獨(dú)立的ADC,比如Microchip Technology的MCP33141-10。
從這個(gè)12位、1-Msample/s的ADC的精度來(lái)看,計(jì)算TUE并與集成ADC進(jìn)行比較。在-40℃至125℃的溫度范圍內(nèi),TUE相當(dāng)于±0.06%。這比集成ADC的精度高30倍,而且是在更寬的溫度范圍內(nèi)。在精度方面,獨(dú)立ADC的ENOB為11.8位,所以在這個(gè)例子中,獨(dú)立ADC的精度比它的精度好4倍左右。結(jié)果是,獨(dú)立ADC的誤差為2.9 mV,精度約為0.7 mV rms。
在這種比較中,集成式ADC和獨(dú)立式ADC的精度非常接近(見表)。然而,即使集成ADC的精度很高,也無(wú)法達(dá)到1%的精度要求。只有獨(dú)立的ADC能夠滿足NTC溫度傳感器的1℃或0.8%的溫度精度要求。
準(zhǔn)確度和精確度的系統(tǒng)考慮
只看ADC的精度的問(wèn)題是,它沒(méi)有考慮使用ADC的系統(tǒng)(或系統(tǒng))中的變量。如果ADC是準(zhǔn)確和精確的,那么ADC的輸出將在所有設(shè)備和所有條件下保持一致,而不是只對(duì)某一設(shè)備或某一條件保持一致。
因此,如果不需要系統(tǒng)與系統(tǒng)之間或系統(tǒng)需要工作的所有條件之間的精度或一致性,那么使用集成ADC的優(yōu)勢(shì)在于降低復(fù)雜性、尺寸和價(jià)格。使用集成ADC的復(fù)雜性會(huì)更低,因?yàn)椴恍枰_發(fā)軟件來(lái)連接外部ADC,也不需要考慮模擬和數(shù)字信號(hào)進(jìn)出ADC的位置和路由。將ADC與MCU集成在一起,意味著整個(gè)電路板的面積也將更小。此外,具有集成ADC的MCU的價(jià)格通常低于MCU和獨(dú)立ADC的綜合價(jià)格。
但是,如果在系統(tǒng)與系統(tǒng)之間或在系統(tǒng)需要工作的所有條件下都需要精度、準(zhǔn)確度和一致性,那么在ADC的選擇上就要非常謹(jǐn)慎。不要做一個(gè)落入陷阱的設(shè)計(jì)者,認(rèn)為器件變化會(huì)很小,可以用數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)來(lái)補(bǔ)償不準(zhǔn)確或不一致的模擬性能。請(qǐng)記住,由于工藝的固有限制,數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)有可能降低系統(tǒng)的精度,同時(shí)增加復(fù)雜性。
另外,確保ADC和電壓基準(zhǔn)不僅規(guī)定了精度,而且規(guī)定了溫度下的精度。如果ADC沒(méi)有指定溫度下的精度,那么工藝、制造、測(cè)試和溫度變化在系統(tǒng)中顯示為誤差的風(fēng)險(xiǎn)就很高。更糟糕的是,這些變化并不是確定的。一個(gè)設(shè)備可能具有顯著的正增益漂移,而另一個(gè)設(shè)備可能表現(xiàn)出顯著的負(fù)增益漂移。這些廣泛的變化可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。
當(dāng)在集成ADC和獨(dú)立ADC之間做出決定時(shí),只是在成本、精度和性能的一致性之間做出選擇。一旦你定義了所需性能的精度或一致性,那么選擇就變得簡(jiǎn)單了。
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