A/D转换系统的噪声 - ADC和DAC作为闭环控制系统核心的关键作用和性能优势的详细分析

往往利用直流信号的直方图确定A/D转换系统的噪声。由于系统中存在噪声，ADC产生的编码将在主值附近。编码的分散性表示A/D转换系统的噪声信息。图2中直方图的标准偏差为0.664(相当于16.6位的有效分辨率)，98.6%的编码在前三个中心LSB之内。本例中，标准偏差越小，系统噪声越小。

单调模拟输出的高速和高精度性能

高质量DAC决定整个系统的输出精度，对于任何控制系统都非常重要。几项重要指标决定模拟输出的性能：

●积分非线性(INL)

●微分非线性(DNL)

●总不可调误差(TUE)

●建立时间

任何实际的模拟输出电路都有三种基本误差：失调、增益误差和非线性。在很多应用中，可对失调和增益误差进行校准，但非线性误差的修正最为困难。所以，选择具有高线性度的DAC非常重要。INL曲线显示理想DAC输出与DAC实际输出之间的偏差，其中抵消失调和增益误差。图3所示为带有放大器的MAX5316 16位DAC的INL曲线。从曲线可看出，实际输出与理想输出之间的最大偏差大约为12 LSB。

 

图3. INL，-10V至+10V输出范围，20%过量程。

DAC的单调性非常重要。DAC编码增大时，单调DAC的输出始终增大或最坏也保持相同。如果在闭环控制系统中使用非单调DAC，负反馈可能变为正反馈。此外，根据控制理论，正反馈系统是不稳定的。为了确定DAC是否为单调，观察其DNL曲线。DNL误差是实际步长与1 LSB理想值之差。步长意味着两个相邻数字输入编码之间的输出电压差。图4所示为带放大器的MAX5316的DNL曲线。对于单调的模拟输出，DNL曲线上的所有点必须大于-1 LSB。

 

图4. DNL，-10V至+10V输出范围，20%过量程。

总不可调误差(TUE)曲线显示实际输出电压相对于理想输出电压的误差，以满幅百分比表示。图5所示为带放大器的MAX5316的TUE曲线。本例中，最大输出误差为满幅的0.054%。

 

图5. 总不可调输出误差，-10V至+10V输出范围，20%过量程。

最后，建立时间是从更新DAC输出命令到输出达到指标范围内的规定值之间的时间间隔。建立时间受DAC和放大器摆率以及放大器过冲和振铃的影响。例如，在MAXREFDES71参考设计中，电压输出稳定至2 LSB之内只需17μs。

形成闭环

两个新型子系统参考设计满足“不妥协”闭环工厂环境要求。MAXREFDES71#(图6)和MAXREFDES32#子系统具有足够的灵活性，满足使用电压或电流信号的低速和高速闭环系统。这些子系统使用两片高速、高精度和低噪声ADC (MAX11166)和DAC (MAX5316)。400ksps 16位输入通道和高速16位输出通道支持±10V和±20mA信号，再加上20%裕量。集成多种其他高精度和高速元件，集成了电源以及600VRMS数据隔离。MAXREFDES32与MAXREFDES71完全相同，只是采用反激转换器产生隔离电源。两款设计连接至FMC兼容现场可编程门阵列(FPGA)/微控制器开发板。

 

图6. MAXREFDES71子系统方框图。

此处所示的所有数据均由MAXREFDES71#参考设计电路板产生。现在，设计者可利用比以往更快的高质量模拟输入和输出构建新型闭环工业系统。并且显而易见，更可靠、更高精度的闭环系统有助于保证工业4.0工厂的效率和正常运转。