Texas Instruments (TI) hat seine Familie von Hochgeschwindigkeits-Datenwandlern um eine neue Familie von acht Analog-Digital-Wandlern (ADCs) mit sukzessivem Approximationsregister (SAR) erweitert, die eine Hochgeschwindigkeits-Datenerfassung in industriellen Umgebungen ermöglichen. Die ADC3660 SAR-ADCs in 14-, 16- und 18-Bit-Auflösung bei Abtastgeschwindigkeiten von 10 bis 125 MSPS zielen auf die Herausforderungen der Echtzeitsteuerung in Industriesystemen ab und behaupten, den Stromverbrauch um 65 Prozent und die Latenz um 80 Prozent zu senken im Vergleich zu Konkurrenzgeräte.
Während einer Pressekonferenz betonte Matt Hann, Product Line Manager, Highspeed Data Converters bei TI, den Bedarf an Echtzeitsteuerung in industriellen Systemen und damit die Bedeutung der neuen ADC3660-Familie nicht nur im Bereich Echtzeit Kontrolle, sondern auch in Bezug auf Präzision und hohe Geschwindigkeit.
Bisher mussten Ingenieure, die Industrieanlagen entwerfen, zwischen verschiedenen Kompromissen in Bezug auf Geräuschentwicklung und geringen Stromverbrauch wählen – eine besonders schwierige Entscheidung für diejenigen, die batteriebetriebene Geräte konstruieren, die eine präzise Datenerfassung erfordern. Hann wies darauf hin, dass die ADC3660-Familie darauf abzielt, diese Kompromisse und andere Herausforderungen wie Genauigkeit, Größe und Designzeit anzugehen.
„Was wir jetzt auf den Tisch bringen, das es vorher nicht gab, ist eine Kombination aus Genauigkeit, Geräuschentwicklung, Leistung, Größe und Funktionen, die es sehr einfach machen, diese Geräte in ein System zu integrieren“, sagte Hann. „Es gibt bereits Geräte mit dieser Abtastrate auf dem Markt, aber was wir auf den Tisch gebracht haben, ist eine bessere Rauschleistung bei dieser Abtastrate und Auflösung sowie integrierte digitale Funktionen und der niedrigste Stromverbrauch.“
Digitale Steuerung in Echtzeit
Die zunehmende Genauigkeit bei der Hochgeschwindigkeits-Datenerfassung erfüllt den wachsenden industriellen Bedarf an Echtzeitsteuerung. Hier, in einem digitalen Hochgeschwindigkeitsregelkreis, reagiert der ADC in einem komplexen System auf schnelle Spannung oder aktuelle Änderungen und hilft, kostspielige Schäden an kritischen Komponenten in Energieverwaltungssystemen zu vermeiden.
„Wenn man von Echtzeit spricht, denkt man sofort an etwas“, sagte Hann. In einem Echtzeit-Steuerungssystem ist daher häufig eine sofortige Steuerung erforderlich, wenn es auf hohe Präzision und Geschwindigkeit ankommt, beispielsweise bei Wärmebildkameras, Netzwerkinfrastrukturen, Netzqualitätsanalysatoren, Plasmaschneidern und Quellenmesseinheiten, fügte er hinzu.
Abb. 1: Echtzeitregelung mit digitalen Regelkreisen ermöglichen (Quelle: TI)
Wie in gezeigt Abb.. 1, besteht der digitale Regelkreis aus vier Schlüsselelementen. Im Hochgeschwindigkeits-Loop RX gibt es eine analoge Signalkette, die die Daten zum ADC bringt, in diesem Fall dem ADC3664, der von einem FPGA, einen Echtzeit-Mikrocontroller (MCU) oder sogar einen DSP, und diese Informationen werden von einem DAC übernommen und zurück in die Last übersetzt, sagte Hann. „Die Gesamtzeit, die dafür benötigt wird, wird an der sogenannten Latenz gemessen. In der Vergangenheit war eine niedrige Latenz also etwas, das nur ein analoger Regelkreis ermöglichen konnte, da man nicht unbedingt durch die Abtastrate des ADC oder sogar das Rauschen des ADC bei einer genauen Messung eingeschränkt war“, sagte Hann.
Der neue ADC von TI bietet eine Latenz im Nanosekundenbereich und bietet nicht nur Echtzeitsteuerung, sondern auch Designflexibilität. „Was eine digitale Steuerung flexibel macht, ist die Programmierbarkeit, die der ADC3664 bietet“, sagt Hann.
Echtzeit-Abstimmbarkeit und Programmierbarkeit ermöglichen es einem Enddesigner, ein System anzupassen, das sich an mehrere Anwendungen anpassen kann, indem einfach einige Parameter in der Software geändert werden, sagte Hann. „Das führt zu Flexibilität beim Enddesign und zu einer Menge Kosteneinsparungen für den Endkunden.“
SAR-ADCs
Hann hob einige Geräte in der neuen Familie von ADCs hervor, die aus acht Pin-zu-Pin-kompatiblen Geräten in Single- oder Dual-Channel-Konfigurationen bestehen und von 10 bis 125 MSPS in 14-, 16- und 18-Bit-Auflösungsgraden reichen . Je nach Gerät bietet die Familie bis zu 80 Prozent niedrigere Latenz für Echtzeitsteuerung und erstklassigen Dynamikbereich bei geringstem Stromverbrauch sowie integrierte Funktionen und hohe Abtastfrequenzen, die das Design sehr einfach machen, er sagte.
Ein Beispiel ist der ADC3683, der von TI als der schnellste 18-Bit-ADC der Branche bezeichnet wird. „Der ADC3683 ist ein 65-MSPS, 18-Bit-Dual-Channel-ADC und er tastet bei doppelter Kanaldichte viermal schneller ab als das nächstgelegene konkurrierende 18-Bit-Gerät“, sagt Hann. „Es verbessert die Rauschleistung in Schmalband-Frequenzanwendungen wie tragbaren Verteidigungsfunkgeräten mit einem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von 84.2 dB und einer spektralen Rauschdichte von -160 dBFS/Hz. Darüber hinaus verbraucht es mit 94 mW pro Kanal weniger Strom und ermöglicht hochpräzise Datenerfassungssysteme wie Quellenmesseinheiten und andere Arten von Handmessgeräten“, sagte Hann.
Abb. 2: Anwendungsdiagramm von ADC3683 (Quelle: TI)
Der 125-MSPS, 14-Bit-Dual-Channel-ADC3664 (vorstehend erwähnt) ist eine weitere Variante, die eine niedrige Latenz (1 Takt, 8 ns) bietet und dabei hilft, kritische Komponenten zu schützen und die Werkzeugpräzision in Anwendungen wie . zu erhöhen Halbleiter Fertigungssysteme bzw. Die extrem niedrige Latenz der Bausteine ermöglicht digitalen Hochgeschwindigkeitsregelkreisen in einer Vielzahl von Industriesystemen eine genauere Überwachung und Reaktion auf Spannungs- und Stromspitzen.
Diese spezielle Variante bietet 80 Prozent niedrigere Latenzzeiten, was niedriger ist als bei vergleichbaren Geräten mit ähnlichen Geschwindigkeiten, einschließlich SAR- und Pipeline-Architektur-ADCs, sagte Hann.
Abb. 3: Anwendungsdiagramm von ADC3664 (Quelle: TI)
In Bezug auf den geringen Stromverbrauch liefert der 65-MSPS, 16-Bit-ADC3660 ein extrem niedriges Rauschen bei 82 dBFS SNR, verbessert die Bildauflösung in Sonaranwendungen und verbraucht dabei 65 Prozent weniger Strom (71 mW pro Kanal) als das vergleichbare Konkurrenzgerät , sagte Hann.
„Für eine Anwendung wie ein Sonar mit 65 Prozent weniger Leistung ist es ein sehr überzeugendes Gerät und auch der 65-MSPS, 16-Bit-Dual-Channel macht es ideal und kann aufgrund dieser geringen Leistung oft zusätzliche Signalkettenkomponenten im Pfad eliminieren Verbrauch“, sagt er. „Die Eliminierung des Signalkettenpfads kann auch den Gesamtstromverbrauch des Systems reduzieren.“
Abb. 4: Funktionsblockschaltbild des ADC3660 (Quelle: TI)
Reduzierung der Designkomplexität
Die hohen Abtastraten und integrierten Funktionen der ADC3660-Familie helfen Entwicklern, die Anzahl der Komponenten in ihren Systemen zu reduzieren. Der ADC3683 ermöglicht beispielsweise Oversampling, wodurch Oberwellen weiter vom gewünschten Signal entfernt werden. Dadurch können Designer die Komplexität des Antialiasing-Filters und die Anzahl der Komponenten im System um bis zu 75 Prozent reduzieren.
Zu den weiteren Familienmerkmalen, die die Designkomplexität reduzieren, gehören Dezimierungsoptionen auf dem Chip, die es Entwicklern ermöglichen, unerwünschtes Rauschen und Oberwellen im System zu entfernen und das SNR und den störungsfreien Dynamikbereich um bis zu 15 dB zu erhöhen. Diese Dezimierungsoptionen und die CMOS-Schnittstelle ermöglichen es Designern, diese ADCs mit ARM-basierten Prozessoren oder DSPs anstelle von FPGAs zu verwenden, was zur Senkung der Systemkosten beitragen kann.
„Wir bringen die Rechenfunktionalität vom Prozessor in den ADC, was die Systemkosten entweder mit einem Arm-basierten Prozessor oder einem DSP senkt und die Systemfunktionalität erhöht, indem Prozessorressourcen für andere Aufgaben genutzt werden können“, sagte Hann .
Die Bausteine ADC3563, ADC3583, ADC3643, ADC3660, ADC3663, ADC3664 und ADC3683 sind ab sofort bei TI in einem 5 × 5 mm sehr dünnen Quad-Flat-No-Lead-Gehäuse (WQFN) erhältlich. Vorserienversionen des ADC3541 sind ab sofort nur auf TI.com erhältlich, die Serienproduktion wird im ersten Quartal 2022 erwartet. Ab sofort bei TI erhältlich, Evaluierungsmodule kosten 249 US-Dollar.
über Texas Instruments