平衡精確資料擷取系統中的ADC尺寸
2021-12-24
作者
Mark Berarducci，德州儀器(TI)
工業產品最小化的最新趨勢為精確資料擷取系統帶來新挑戰。設計人員必須平衡整體系統的尺寸和功耗，並需以更高頻寬進行更精確的訊號量測，同時進行各種取捨…
工業產品最小化的最新趨勢為精確資料擷取系統帶來新挑戰。設計人員必須平衡整體系統的尺寸和功耗，並需以更高頻寬進行更精確的訊號量測，同時進行各種取捨。本文將詳細探討這些挑戰，並將重點放在工業系統的類比轉數位轉換器(ADC)。
如同消費電子產品，減少工業設備尺寸與功耗的推力也逐漸增加。在不犧牲功能與性能的情況下，使用者都偏好更小、更輕巧的可攜式或半可攜式資料擷取設備，因為方便在實驗室中移動或帶到現場。若能將可編程邏輯控制器外掛模式最小化，則可減少在工廠控制面板上佔用的空間，也可減少設備庫存和備用零件庫存所需的存放空間。
當然，小型產品設計與內部的電子裝置尺寸有直接的關係。資料擷取系統配置使用具第四階低通濾波器的TI THS4551全差分放大器、具整合式緩衝器的REF6041參考，以及ADS127L11 寬頻ADC。值得注意的是，在最新技術進步下，轉換器已不是這個設計中最大的元件。
功耗最小化在延長可攜式設備電池運作時間上十分重要，此外，實現低功耗也代表設備能夠更輕巧，也可能進而降低成本(例如將四個並聯電池芯減為三個)。減少功耗也可為離線供電設備帶來好處。低功率消耗可紓緩機殼溫度上升的情況，透過降低積體電路(IC)平均接點溫度(有些情況下則是減少或消除強制空氣冷卻)而延長產品壽命。相反的，省去產品外殼或控制面板的通風孔插槽將可減少PCB表面的灰塵與蒸氣，避免設備長期暴露在嚴苛環境下，造成運作時現場設備出現問題。
減少功耗也代表能夠縮小電源供應磁性元件的整體尺寸。這樣的尺寸縮減當然可帶來更小的機殼選擇。
雜訊來源可能會限制資料擷取系統(從參考電壓和輸入訊號調節電路)的量測解析度，但也有許多令人滿意的元件選擇，可幫助減少雜訊影響。值得爭論的是，對震動/聲音監測與通用資料擷取等任何測量AC訊號的工業設備系統解析度而言，轉換器都是非重要的元素。轉換器不應有任何會限制量測解析度的音調和其他寄生頻率，而應有低寬頻雜訊以解決較小的訊號位準，以及低失真以獲得良好頻譜性能。
進行AC訊號精確擷取期間，轉換器的頻率特性應接近理想，即需平緩通帶與低漣波、較尖銳的轉換頻帶以盡可能節省頻帶，並在奈奎斯特頻率下具完整效果的帶阻，以降低訊號混疊。一旦發生訊號混疊，便無法透過後處理修正訊號，因此必須以盡可能經濟的方式衰減頻外訊號。
