在精密控制应用设计中实现高精度和零延迟转换的解决方案
精密控制应用通常会出现看似矛盾的数据采集要求，需要高精度和零延迟转换。开发人员使用复杂的多信号链方法来协调这些要求，这些方法会增加设计成本并导致项目延迟。
但是，现在可以使用单个设备快速实现高分辨率，零 - 延迟数据采集设计，附加组件相对较少。
本文将描述当前方法的复杂性。然后，它将引入解决这些复杂性和成本问题以及如何应用它们的解决方案。
高精度数据采集的复杂性
高精度数据采集系统通常依赖基于sigma-delta（σδ）转换等方法的高分辨率模数转换器（adc）。然而，这些方法使用的过采样和滤波技术会在采样事件和数字输出之间引入延迟。这种延迟对于高精度，高速应用来说是不可接受的。对于这些应用，设计人员不得不进行折衷，包括创建两个并行转换信号路径。一种基于高分辨率adc，另一种基于逐次逼近寄存器（sar）adc，可以无延迟地提供结果。这种妥协禁止获得最大分辨率。
使用这种方法，仅凭附加信号链就可以提高设计成本和复杂性。同时，随着设计人员建立补偿功能以协调两个信号链之间的增益，带宽，温度变化，长期漂移和其他性能参数的差异，总成本和复杂性会更加微妙地增加。
凌力尔特公司的ltc2500 adc提供了一种更简单的方法，提供无延迟24位转换和高分辨率数字滤波32位转换。
双输出
的核心linear ltc2500-32是一款高速sar adc内核，用于转换从差分模拟输入引脚in + 和in - 采样的模拟输入信号。反过来，adc内核的输出为无延迟24位输出和来自独立器件引脚的数字滤波32位输出提供单独的片内信号路径。
在这种简单的操作视图的基础上，该器件提供了一系列复杂功能，将低功耗，低噪声操作与各种转换功能相结合。例如，该器件通过在对其模拟输入进行采样时保持低功耗状态来帮助降低系统功耗要求。当器件在其mclk主时钟引脚上看到上升沿时，它会唤醒足够长的时间来执行转换，并在转换完成时自动关断。因此，该器件在其660 ns（最大值）转换阶段仅消耗可观的功率。此功能允许开发人员通过以符合其应用要求的最低可能采样率操作器件来优化总体功耗（图2）。
图2：凌力尔特公司ltc2500-32仅在其660 ns（最大值）转换阶段进入完全有效状态，降低了功耗并降低了功耗抽样率。 （图像来源：linear technology）
然而，对于大多数高精度应用而言，提供高分辨率数据的能力仍然是主要关注点。为了满足苛刻的转换要求，设计人员在模拟输入上集成了复杂的滤波器级以减少混叠，并在数字输出上集成了减少带外噪声的功能。例如，开发人员通常使用低通滤波器对adc的模拟输入进行调节，该滤波器设计用于抑制高于奈奎斯特频率的信号频率分量 - 即采样频率的一半。
对于许多应用，设计人员可以通过简单的低通模拟滤波器轻松满足抗混叠要求。然而，当目标信号带宽接近奈奎斯特频率时，设计人员需要实现更复杂的模拟滤波器，以实现清晰的滚降，以消除混叠，而不会衰减信号本身。然而，使用ltc2500-32，开发人员可以通过将更简单的低通模拟滤波器与adc的片上数字带通滤波功能相结合来放宽模拟滤波器要求，从而创建“混合模式”抗混叠滤波器（图3）。
图3：设计人员可以通过将凌力尔特公司的ltc2500-32片上数字滤波器与其结合，实现所需的抗混叠滤波器（aaf）配置文件简单的模拟滤波器。 （图片来源：linear technology）
数字滤波
从广义上讲，数字滤波满足了一项关键需求：去除带外频率成分，降低整体动态范围和转换质量。过去，开发人员经常使用专用硬件（包括dsp甚至fpga）实现复杂的数字滤波器，以实现高速应用。 ltc2500-32的集成数字滤波器无需外部滤波解决方案，进一步降低了设计成本和复杂性。此外，ltc2500-32还支持多种内置光谱滤波器，包括扁平通带滤波器（图4a）和多个正弦滤波器（图4b）。此外，平均滤波器可让设计人员通过在最终滤波输出中平均多达16,384个转换结果来减少随机噪声的影响。
图4：与扁平通带滤波器（a）一起，线性ltc2500-32支持sinc 1 ，sinc 2 ，sinc 3 ，sinc 4 和spread-sinc（ssinc）滤波器（b）开发人员可根据需要进行调谐以通过或衰减特定频率，以增强信号采集。 （图像源：linear technology）
在平坦通带和正弦滤波器的输出上，抽取滤波器根据可编程的下采样因子（df）对滤波后的数据进行下采样，提供每个df th 采样到滤波后的输出寄存器并丢弃其他寄存器。因此，对于任何adc转换频率fsmpl，开发人员可以在应用不需要器件的最大1 ms/s最大采样率时设置有效器件输出数据频率f0 = fsmpl/df。
组合这些不同的滤波器类型和采样灵活性还使设计人员能够优化转换过程的带通和带阻性能。通过将器件配置为在特定的fsmpl和df下工作，开发人员可以根据需要移动f0选择数字滤波器来传递或拒绝特定频率。
如前所述，数字滤波算法用于增强高频分辨率adc输出引入输入采样和滤波输出之间的延迟。随着滤波变得更加复杂，无论数字滤波器实现方法如何，延迟都相应地增加。对于ltc2500-32 adc，支持的数字滤波器引入了可预测的延迟，随着滤波器的复杂性而增长（图5）。在每种滤波器类型中，df的增加会增加有效滤波器的长度，从而增加滤波器的建立时间，从而增加其延迟。例如，虽然以df = 4运行的sinc 1 滤波器类型可能导致3微秒（μs）延迟，但设置df = 2048将导致相同滤波器的延迟为513μs。
图5.锐利滚降意味着采样和滤波输出之间的延迟更大，如此处所示的linear ltc2500-32平坦通带滤波器（a）和sinc过滤器（b）。 （图片来源：linear technology）
转换输出
尽管增强转换结果需要延迟，但需要即时转换结果的应用程序可以简单地访问ltc2500-32无延迟输出寄存器。在每次adc内核转换后，器件使用32位代码更新无延迟输出寄存器，该代码包括超量程检测位，24位值差分输入电压（in + - in - ）和7位共模输入电压（in + + in - ）/2。在转换之间，主机mcu可以使用相关的串行数据时钟输入b（sckb）通过专用串行数据输出b（sdob）引脚串行读取该32位寄存器。
同样，主机mcu可以通过单独的数据输出（sdoa）引脚和时钟（scka）访问滤波数据输出寄存器。但是，对于滤波数据输出，linear利用了与平均或下采样相关的滤波输出寄存器更新之间的延长周期。例如，当平均滤波器被设置为平均四个采样或者频谱滤波器df被设置为四时，滤波的输出寄存器在产生滤波结果之前的三个转换周期期间保持不变。利用ltc2500-32，开发人员可以在这三个转换周期内延长输出寄存器的串行读出，允许使用较慢的时钟来驱动scka。
此功能称为分布式读取，允许开发人员读取每个adc内核转换周期之间的输出寄存器的几位。通过用至少一个但少于20个脉冲驱动scka引脚，主机可以在转换周期之间移出相同数量的位。开发人员可以通过在转换周期期间发出零脉冲或发出20个或更多脉冲来终止读取过程，从而使器件更新滤波后的输出寄存器并启动下一个分布式读取周期（图6）。
图6：利用linear ltc2500-32分布式读取功能，开发人员可以通过脉冲scka读出滤波后的输出寄存器的1到19位adc转换之间的相应脉冲数（drl为低），通过在（最终）adc转换周期期间发出零脉冲完成读取，并允许器件启动下一个平均序列。 （图像来源：linear technology）
无论用于读取器件输出的方法如何，开发人员只需要进行少量连接即可实现ltc2500-32与主机mcu之间的数字接口。硬件工程师通常可以将ltc2500-32直接连接到数字逻辑，因为该器件支持与其自身2.5伏电源引脚（vdd）分开的数字io电源（ovdd）。 ovdd电源电压范围为1.8至5伏，使器件能够直接连接到大多数数字逻辑组件，而无需电平转换器。
设计人员可以进一步减少使用滤波和无延迟的应用的设计占用空间输出。在这里，设计人员将ltc2500-32的每个输出的独立时钟和串行数据线连接到单个时钟线和来自mcu的数据线（图7）。通过切换rdla和rdlb，设计人员可以分别为串行数据输出启用滤波和无延迟输出。
图7：设计人员可以通过共享用于滤波（scka时钟和sdoa数据）和无延迟（sckb和sdob）输出的时钟和数据连接来简化mcu互连，使用rdla和rdlb来启用相应的输出。 （图像来源：凌力尔特公司）
设计人员通常会添加一个额外的连接，将主机gpio连接到ltc2500-32串行数据输入（sdi）引脚（如图1所示），以进行编程器件配置。通过设置adc的12位控制字中的位，设计人员可以选择滤波器类型和下采样因子。在各种特定操作状态期间（例如在加电之后或转换之间），设备打开“交易窗口”，允许设备读入新的控制字。通过在此事务窗口中加载新的控制字，他们可以动态更改过滤器类型，df设置或其他设备参数，以匹配信号特征或应用要求的变化。
然而，对于大多数设计，开发人员将在上电时对器件进行一次编程。在某些情况下，开发人员通过利用设备内置的一对预设配置来消除甚至此设备编程步骤。通过将ltc2500-32的预置（pre）引脚置为高电平，开发人员可以根据sdi引脚的状态选择预置。如果sdi接低电平，ltc2500-32将通过其平均滤波运行。如果sdi为高电平，则使用其ssinc滤波器，df = 64。
设计实现
虽然数字接口很简单，但开发人员通常需要一些额外的组件来实现实用数据采集设计。在这些外部元件中，选择合适的电压基准是至关重要的。 ltc2500-32的ref引脚上的参考电压设置转换的最大输入范围。在转换阶段，adc从ref吸取电荷，导致电流尖峰小，可能降低转换。设计人员可以使用高精度5伏电压基准（如凌力尔特公司ltc6655-5和旁路电容）在很大程度上消除这些影响。当电容缓冲增量电流消耗时，ltc6655-5确保参考电压的偏差在整个adc代码范围内保持小于0.5 ppm。
在adc的in + 和in - 输入，设计人员还需要确保信号保持无失真。理论上，任何低阻抗信号源都可以直接连接到ltc2500-32高阻抗输入引脚。然而，实际上，设计人员可以使用快速建立放大器来缓冲adc输入，例如用于交流应用的linear technology ltc6363或lt6202，或用于dc应用的零漂移放大器，如linear ltc2057。
除了缓冲输入外，这些放大器还提供将输入信号摆幅与adc的全动态范围匹配所需的信号调理，或将单端输入转换为全差分信号（图8）。
图8：开发人员可以使用凌力尔特公司的lt5400-4电阻网络和快速建立的低噪声ltc6363运算放大器来转换单个将双极ac输入端接到ltc2500-32的差分信号。 （图片来源：linear technology）
ltc2500-32相对简单的接口要求使经验丰富的设计人员能够围绕这一复杂设备快速实现完整的高分辨率数据采集设计。然而，无论设计经验如何，构建用于全面评估ltc2500-32的电路的细节都可能会延迟寻求快速解决方案的项目。 dc2222a-a演示板简化了原型设计和开发。
电路板本身提供了完整的硬件实现和相关的参考设计，包括原理图，详细的bom和评估软件。在电路板上，完整的模拟输入缓冲电路提供了信号调理设计的详细示例，并以多功放电路的详细原理图为后盾。对于更详细的信号分析或应用开发，开发人员可以将dc2222a-a演示板连接到凌力尔特公司的兼容arduino的dc590或dc2026 quikeval系统或线性dc890 pscope usb数据采集板。
结论
过程控制和仪器的高精度应用的增长使开发人员不得不寻找能够以高分辨率和零延迟提供结果的数据转换解决方案。由于高分辨率转换方法增加了转换延迟，开发人员通过将较慢的高分辨率adc与较快的低分辨率adc配对来满足这一需求。
而不是处理此方法固有的成本和复杂性开发人员现在可以使用能够提供高分辨率而无延迟输出的单个设备。使用linear ltc2500-32，他们可以实现复杂的数据采集设计，能够满足高精度应用的各种要求。
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但是，现在可以使用单个设备快速实现高分辨率，零 - 延迟数据采集设计，附加组件相对较少。
本文将描述当前方法的复杂性。然后，它将引入解决这些复杂性和成本问题以及如何应用它们的解决方案。
高精度数据采集的复杂性
高精度数据采集系统通常依赖基于sigma-delta（σδ）转换等方法的高分辨率模数转换器（adc）。然而，这些方法使用的过采样和滤波技术会在采样事件和数字输出之间引入延迟。这种延迟对于高精度，高速应用来说是不可接受的。对于这些应用，设计人员不得不进行折衷，包括创建两个并行转换信号路径。一种基于高分辨率adc，另一种基于逐次逼近寄存器（sar）adc，可以无延迟地提供结果。这种妥协禁止获得最大分辨率。
使用这种方法，仅凭附加信号链就可以提高设计成本和复杂性。同时，随着设计人员建立补偿功能以协调两个信号链之间的增益，带宽，温度变化，长期漂移和其他性能参数的差异，总成本和复杂性会更加微妙地增加。
凌力尔特公司的ltc2500 adc提供了一种更简单的方法，提供无延迟24位转换和高分辨率数字滤波32位转换。
双输出
的核心linear ltc2500-32是一款高速sar adc内核，用于转换从差分模拟输入引脚in + 和in - 采样的模拟输入信号。反过来，adc内核的输出为无延迟24位输出和来自独立器件引脚的数字滤波32位输出提供单独的片内信号路径。
在这种简单的操作视图的基础上，该器件提供了一系列复杂功能，将低功耗，低噪声操作与各种转换功能相结合。例如，该器件通过在对其模拟输入进行采样时保持低功耗状态来帮助降低系统功耗要求。当器件在其mclk主时钟引脚上看到上升沿时，它会唤醒足够长的时间来执行转换，并在转换完成时自动关断。因此，该器件在其660 ns（最大值）转换阶段仅消耗可观的功率。此功能允许开发人员通过以符合其应用要求的最低可能采样率操作器件来优化总体功耗（图2）。
图2：凌力尔特公司ltc2500-32仅在其660 ns（最大值）转换阶段进入完全有效状态，降低了功耗并降低了功耗抽样率。 （图像来源：linear technology）
然而，对于大多数高精度应用而言，提供高分辨率数据的能力仍然是主要关注点。为了满足苛刻的转换要求，设计人员在模拟输入上集成了复杂的滤波器级以减少混叠，并在数字输出上集成了减少带外噪声的功能。例如，开发人员通常使用低通滤波器对adc的模拟输入进行调节，该滤波器设计用于抑制高于奈奎斯特频率的信号频率分量 - 即采样频率的一半。
对于许多应用，设计人员可以通过简单的低通模拟滤波器轻松满足抗混叠要求。然而，当目标信号带宽接近奈奎斯特频率时，设计人员需要实现更复杂的模拟滤波器，以实现清晰的滚降，以消除混叠，而不会衰减信号本身。然而，使用ltc2500-32，开发人员可以通过将更简单的低通模拟滤波器与adc的片上数字带通滤波功能相结合来放宽模拟滤波器要求，从而创建“混合模式”抗混叠滤波器（图3）。
图3：设计人员可以通过将凌力尔特公司的ltc2500-32片上数字滤波器与其结合，实现所需的抗混叠滤波器（aaf）配置文件简单的模拟滤波器。 （图片来源：linear technology）
数字滤波
从广义上讲，数字滤波满足了一项关键需求：去除带外频率成分，降低整体动态范围和转换质量。过去，开发人员经常使用专用硬件（包括dsp甚至fpga）实现复杂的数字滤波器，以实现高速应用。 ltc2500-32的集成数字滤波器无需外部滤波解决方案，进一步降低了设计成本和复杂性。此外，ltc2500-32还支持多种内置光谱滤波器，包括扁平通带滤波器（图4a）和多个正弦滤波器（图4b）。此外，平均滤波器可让设计人员通过在最终滤波输出中平均多达16,384个转换结果来减少随机噪声的影响。
图4：与扁平通带滤波器（a）一起，线性ltc2500-32支持sinc 1 ，sinc 2 ，sinc 3 ，sinc 4 和spread-sinc（ssinc）滤波器（b）开发人员可根据需要进行调谐以通过或衰减特定频率，以增强信号采集。 （图像源：linear technology）
在平坦通带和正弦滤波器的输出上，抽取滤波器根据可编程的下采样因子（df）对滤波后的数据进行下采样，提供每个df th 采样到滤波后的输出寄存器并丢弃其他寄存器。因此，对于任何adc转换频率fsmpl，开发人员可以在应用不需要器件的最大1 ms/s最大采样率时设置有效器件输出数据频率f0 = fsmpl/df。
组合这些不同的滤波器类型和采样灵活性还使设计人员能够优化转换过程的带通和带阻性能。通过将器件配置为在特定的fsmpl和df下工作，开发人员可以根据需要移动f0选择数字滤波器来传递或拒绝特定频率。
如前所述，数字滤波算法用于增强高频分辨率adc输出引入输入采样和滤波输出之间的延迟。随着滤波变得更加复杂，无论数字滤波器实现方法如何，延迟都相应地增加。对于ltc2500-32 adc，支持的数字滤波器引入了可预测的延迟，随着滤波器的复杂性而增长（图5）。在每种滤波器类型中，df的增加会增加有效滤波器的长度，从而增加滤波器的建立时间，从而增加其延迟。例如，虽然以df = 4运行的sinc 1 滤波器类型可能导致3微秒（μs）延迟，但设置df = 2048将导致相同滤波器的延迟为513μs。
图5.锐利滚降意味着采样和滤波输出之间的延迟更大，如此处所示的linear ltc2500-32平坦通带滤波器（a）和sinc过滤器（b）。 （图片来源：linear technology）
转换输出
尽管增强转换结果需要延迟，但需要即时转换结果的应用程序可以简单地访问ltc2500-32无延迟输出寄存器。在每次adc内核转换后，器件使用32位代码更新无延迟输出寄存器，该代码包括超量程检测位，24位值差分输入电压（in + - in - ）和7位共模输入电压（in + + in - ）/2。在转换之间，主机mcu可以使用相关的串行数据时钟输入b（sckb）通过专用串行数据输出b（sdob）引脚串行读取该32位寄存器。
同样，主机mcu可以通过单独的数据输出（sdoa）引脚和时钟（scka）访问滤波数据输出寄存器。但是，对于滤波数据输出，linear利用了与平均或下采样相关的滤波输出寄存器更新之间的延长周期。例如，当平均滤波器被设置为平均四个采样或者频谱滤波器df被设置为四时，滤波的输出寄存器在产生滤波结果之前的三个转换周期期间保持不变。利用ltc2500-32，开发人员可以在这三个转换周期内延长输出寄存器的串行读出，允许使用较慢的时钟来驱动scka。
此功能称为分布式读取，允许开发人员读取每个adc内核转换周期之间的输出寄存器的几位。通过用至少一个但少于20个脉冲驱动scka引脚，主机可以在转换周期之间移出相同数量的位。开发人员可以通过在转换周期期间发出零脉冲或发出20个或更多脉冲来终止读取过程，从而使器件更新滤波后的输出寄存器并启动下一个分布式读取周期（图6）。
图6：利用linear ltc2500-32分布式读取功能，开发人员可以通过脉冲scka读出滤波后的输出寄存器的1到19位adc转换之间的相应脉冲数（drl为低），通过在（最终）adc转换周期期间发出零脉冲完成读取，并允许器件启动下一个平均序列。 （图像来源：linear technology）
无论用于读取器件输出的方法如何，开发人员只需要进行少量连接即可实现ltc2500-32与主机mcu之间的数字接口。硬件工程师通常可以将ltc2500-32直接连接到数字逻辑，因为该器件支持与其自身2.5伏电源引脚（vdd）分开的数字io电源（ovdd）。 ovdd电源电压范围为1.8至5伏，使器件能够直接连接到大多数数字逻辑组件，而无需电平转换器。
设计人员可以进一步减少使用滤波和无延迟的应用的设计占用空间输出。在这里，设计人员将ltc2500-32的每个输出的独立时钟和串行数据线连接到单个时钟线和来自mcu的数据线（图7）。通过切换rdla和rdlb，设计人员可以分别为串行数据输出启用滤波和无延迟输出。
图7：设计人员可以通过共享用于滤波（scka时钟和sdoa数据）和无延迟（sckb和sdob）输出的时钟和数据连接来简化mcu互连，使用rdla和rdlb来启用相应的输出。 （图像来源：凌力尔特公司）
设计人员通常会添加一个额外的连接，将主机gpio连接到ltc2500-32串行数据输入（sdi）引脚（如图1所示），以进行编程器件配置。通过设置adc的12位控制字中的位，设计人员可以选择滤波器类型和下采样因子。在各种特定操作状态期间（例如在加电之后或转换之间），设备打开“交易窗口”，允许设备读入新的控制字。通过在此事务窗口中加载新的控制字，他们可以动态更改过滤器类型，df设置或其他设备参数，以匹配信号特征或应用要求的变化。
然而，对于大多数设计，开发人员将在上电时对器件进行一次编程。在某些情况下，开发人员通过利用设备内置的一对预设配置来消除甚至此设备编程步骤。通过将ltc2500-32的预置（pre）引脚置为高电平，开发人员可以根据sdi引脚的状态选择预置。如果sdi接低电平，ltc2500-32将通过其平均滤波运行。如果sdi为高电平，则使用其ssinc滤波器，df = 64。
设计实现
虽然数字接口很简单，但开发人员通常需要一些额外的组件来实现实用数据采集设计。在这些外部元件中，选择合适的电压基准是至关重要的。 ltc2500-32的ref引脚上的参考电压设置转换的最大输入范围。在转换阶段，adc从ref吸取电荷，导致电流尖峰小，可能降低转换。设计人员可以使用高精度5伏电压基准（如凌力尔特公司ltc6655-5和旁路电容）在很大程度上消除这些影响。当电容缓冲增量电流消耗时，ltc6655-5确保参考电压的偏差在整个adc代码范围内保持小于0.5 ppm。
在adc的in + 和in - 输入，设计人员还需要确保信号保持无失真。理论上，任何低阻抗信号源都可以直接连接到ltc2500-32高阻抗输入引脚。然而，实际上，设计人员可以使用快速建立放大器来缓冲adc输入，例如用于交流应用的linear technology ltc6363或lt6202，或用于dc应用的零漂移放大器，如linear ltc2057。
除了缓冲输入外，这些放大器还提供将输入信号摆幅与adc的全动态范围匹配所需的信号调理，或将单端输入转换为全差分信号（图8）。
图8：开发人员可以使用凌力尔特公司的lt5400-4电阻网络和快速建立的低噪声ltc6363运算放大器来转换单个将双极ac输入端接到ltc2500-32的差分信号。 （图片来源：linear technology）
ltc2500-32相对简单的接口要求使经验丰富的设计人员能够围绕这一复杂设备快速实现完整的高分辨率数据采集设计。然而，无论设计经验如何，构建用于全面评估ltc2500-32的电路的细节都可能会延迟寻求快速解决方案的项目。 dc2222a-a演示板简化了原型设计和开发。
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而不是处理此方法固有的成本和复杂性开发人员现在可以使用能够提供高分辨率而无延迟输出的单个设备。使用linear ltc2500-32，他们可以实现复杂的数据采集设计，能够满足高精度应用的各种要求。
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