ADI

在光伏电站的生命周期中,逆变器的优劣在很大程度上决定了光伏电站发电收益的高低。在整个光伏电站的初始投资中,逆变器所占比例约为7%-10%,但是在电站实际运行过程中,逆变器发生一次故障所导致的收益损失巨大。所以说,逆变器的可靠性是整个电站收益的关键考量点。

在光伏发电系统中,如果含有交流负载,就需要使用逆变器,将太阳能组件产生的直流电或蓄电池释放的直流电转化为交流电。逆变器就是这样一种将直流电(DC)转化为交流电(AC,一般为220V50HZ正弦或方波)的装置。

光伏发电是利用光伏组件界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。对于光伏电站来说,集中式也好,分布式也好,光伏组件和逆变器是必不可少的。

首先,光伏组件将光能转化为直流电;接着,逆变器将直流电转化为交流电;最后,转化好的交流电任你支配。

光伏组件表面是一层钢化玻璃,外观颜色多为蓝色和黑色,在阳光的照射下熠熠生辉,十分精致美观。

相比较而言,逆变器就显得格外低调了,它不喜欢被阳光直接照射,而是待在阴凉处施展自身的才华。虽然其貌不扬,但功能强大。

逆变器能将光伏组件产生的直流电转化成交流电,以供我们日常用电。此外,逆变器还有自动运行和停机功能、最大功率跟踪控制功能,以便最大限度地发挥光伏组件的性能和系统故障保护功能。

自动运行和停机功能

早晨日出后,太阳能辐射强度逐渐增强,光伏组件的输出也随之增大,当达到逆变器工作所需的启动功率后,逆变器便自动开始运行。进入运行状态后,逆变器便时时刻刻监视光伏组件的输出,只要光伏组件的输出功率大于逆变器工作所需的最小输入功率,逆变器就会持续运行,直到日落则会停机。

即使是在阴雨天,只要达到了启动电压,逆变器就能正常运行。当光伏组件输出变小,逆变器输出接近0时,逆变器便形成待机状态。

最大功率跟踪控制功能

光伏组件的输出是随太阳辐射强度和太阳电池组件自身温度(硅片温度)而变化的。另外由于光伏组件具有电压随电流增大而下降的特性,因此存在能获取最大功率的最佳工作点。太阳辐射强度是变化着的,显然最佳工作点也是在变化的。

相对于这些变化,始终让光伏组件的工作点处于最大功率点,系统始终从光伏组件获取最大功率输出,这种控制就是最大功率跟踪控制。在光伏发电系统中,逆变器的最大特点就是包括了最大功率点跟踪这一功能。

逆变器分为:集中式、组串式和集散式、微型逆变器。

集中式逆变器:将光伏组件产生的直流电汇总转变为交流电后,进行升压、并网。因此,逆变器的功率都相对较大。

组串式逆变器:将光伏组件产生的直流电直接转变为交流电,汇总后升压、并网。因此,逆变器的功率都相对较小。

集散式逆变器:集散式逆变器是近两年来新提出的一种逆变器形式,其主要特点是“集中逆变”和“分散MPPT跟踪”。集散式逆变器是聚集了集中式逆变器和组串式逆变器两种逆变器优点的产物,达到了“集中式逆变器的低成本,组串式逆变器的高发电量”。

微型逆变器:也称组件逆变器,一般指的是光伏发电系统中的功率小于等于1000瓦、具组件级最大功率峰值跟踪(MPPT)的逆变器,全称是微型光伏并网逆变器。微逆仅几十伏的直流电压,全部并联,最大程度降低了安全隐患。多用于小型光伏电站。

逆变器和光伏组件的配比

光伏组件是光伏电站最重要的设备之一,成本占了并网系统50%左右,组件的技术参数对系统设计非常重要,读懂组件参数,才能正确配置光伏逆变器。

逆变器相关专业人士把光伏组件和逆变器做了一个形象的比喻:“组件好比是贵重货物,逆变器则是一匹马。宁愿大马拉小车,也不要小马拉大车。”

组件系统功率在逆变器额定功率40-60%之间,效率最高,寿命最长。为了把逆变器性能发挥最佳,根据光照条件不同,组件和逆变器有不同的配比。

在一类光照地区,平均日照时间超过5小时,发电时间按每天10小时计算,建议组件和逆变器按1:1配置,平均功率为50%左右;

在二类光照地区,平均日照时间4小时,发电时间按每天9小时计算,建议组件和逆变器按1.1:1配置,(4*1.1)/9,平均功率为49%左右;

在三类平均日照时间3.5小时的光照地区,发电时间按每天8.5小时计算,建议组件和逆变器按1.2:1配置,(3.5*1.2)/8.5,平均功率为49.4%左右。在三类平均日照时间低于3小时的光照地区,发电时间按每天8小时计算,建议组件和逆变器按1.3:1配置,(3*1.3)/8,平均功率为48.75%左右。

注:山地电站朝向各异,分布式光伏屋面情况的复杂性、朝向各异,光伏组件不一定朝南,彩钢瓦屋顶倾斜角度不是最佳倾角。逆变器的配置可以根据具体情况灵活处理。

在光伏电站的生命周期中,逆变器的优劣,很大程度上决定了光伏电站发电收益高低。而英威腾光伏一直以来扎根光伏产业,企业自主研发生产的技术实力无可厚非,在多类型的光伏项目上更是取得了傲人的成绩。

本文来源:如何读懂光伏逆变器?

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近日,武汉光迅科技股份有限公司与亚德诺半导体技术(上海)有限公司(ADI 公司)共同签署了“模拟平台联合实验室合作备忘录”,就通信产业技术升级开展深度合作。

光迅科技传输产品业务部总经理卜勤练先生与ADI公司副总裁及大中华区董事总经理Jerry Fan先生出席了协议签署仪式。ADI公司中国区业务运营及战略规划总监Mariah Nie女士、中国通讯战略客户组技术支持总监Samuel Xia、中国通讯战略客户高级销售经理David Sun、中国客户服务团队主管Grace Lu女士、光迅科技采购部经理刘军、供应商管理部经理郑林等参加了签约仪式。

ADI公司副总裁及大中华区董事总经理Jerry Fan对光迅科技的来访表示欢迎,并对光迅科技长期以来给予的大力支持表示感谢。他指出此次战略合作,将有力推进双方业务升级。ADI凭借先进的半导体技术助力光迅科技实现通信产业技术升级,同时光迅科技的众多行业应用,也使得ADI的产品与方案得以不断地突破与创新。

座谈期间,光迅科技的卜勤练总经理和刘军经理介绍了光迅科技近年来的业务发展情况,表达了与国际前沿的半导体公司开展更深层次合作的愿望,并对联合实验室的合作项目提出了建议,希望双方在芯片定义、路标规划、应用开发等领域加强合作。

光迅科技与ADI在各自行业都占据领先优势,具备多年发展下来的深厚技术沉淀,双方有着相同的发展理念,即追求卓越与创新。此次成立模拟平台联合实验室是将光迅科技与ADI的各类优质资源进行有机整合和集成,以实现优势互补、合作共赢,全面提升双方的业务开展和创新能力,共同携手为业界带来更具优势的技术和产品,推动行业整体提升!

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作者:Christoph Kämmerer

简介

还不熟悉ADC?使用包含多路复用器、PGA、缓冲器、∑-Δ转换器、VREF和电源的复杂系统时,是否感到很困惑,不知道从哪里开始?这就是Virtual Eval大展身手的地方。改变ADC模拟输入、PGA增益、基准电压源或电源,查看对阶跃响应、幅频特性或转换器直方图的影响。

该系列第一个成员是AD7124-8虚拟评估板。

为什么采用虚拟方式?

一个设计的整体性能是由该设计中单颗芯片的性能所决定的。尽管产品数据手册提供了芯片性能的第一手资料,但评估板通常被用于更好地了解各个电路的完整设计。它们可直接测试转换器、放大器和绝缘体等产品。尽管如此,评估板有一个严重的缺点。

它们需要单独订购,还要连接至测量仪器,并且当测试各种不同评估板以查找最佳配置时,整个过程非常耗时且成本高昂。为避免这种复杂情况,ADI公司开发了一款在线工具Virtual Eval,可以让设计人员使用仿真功能来评估转换器。此工具无需消耗物料成本,而且还能在设计初选阶段节省大量时间。

Virtual Eval可访问最新最全的ADI公司转换器数据库。一方面,这可以准确仿真转换器的对应环境,另一方面,它可以在不同场景和边界条件下进行测试。图1中,我们使用AD7124模数转换器(ADC)来解释工具的不同选项和用法。AD7124是一款24位∑-Δ转换器,并且包含了很多诊断功能,如线缆连接或短路的检测。

Virtual Eval的第一步就是让用户查看完整的转换器方框图(图1)。直接点击转换器对应的内部模块,就可以设置芯片参数来仿真真实应用场景。例如,被设置的模块可以是输入放大器或者多路选择器。可配置模块还会显示在屏幕左侧的设置中。对于AD7124,其他可配置模块包括SINC4+1 或者 SINC4的滤波器设置、内部时钟和基准电压源。其他一些可以设置的参数包括转换转换速率和时序。

Virtual Eval工具显示的AD7124方框图

图1. Virtual Eval工具显示的AD7124方框图。

设置好所有参数后,可以直观显示仿真结果并评估转换器的性能。首先,可以显示输入波形(图2a)。此外,还可以计算输入信号的快速傅立叶变换(FFT)。直方图(图2b)可以使用户确定统计数据和转换器精度。

a)输入信号的波形。b)输入信号的直方图

图2. a)输入信号的波形。b)输入信号的直方图。

其次,Virtual Eval还可显示信号的频率响应曲线和时域响应功能(图3a)。通常来说,被选择的转换器需要符合奈奎斯特采样定律。借助时域响应功能,可以计算最大输入频率的确切值,包括安全裕度。时域响应功能的上升时间只能通过选择合适的ADC转换率来解决——如果转换率不足,数据就会丢失。最后,时序图显示AD7124的时间响应(图3b),允许仿真不同场景,如功耗降低或转换率提升。

HB1滤波器响应——DDC实数模式(复数转实数模块使能)

图3. HB1滤波器响应——DDC实数模式(复数转实数模块使能)。

结语:

Virtual Eval模数转换器仿真工具可简单仿真不同条件和场景下的不同ADC。这种方法不仅经济实惠,还能显著缩短器件选型过程,让设计人员可以挑选合适的转换器,不再需要任何评估板和昂贵的测试。一旦选好转换器,就能在工具的帮助页面中找到转换器的相关设计资料——包含数据手册和详细信息。不久之后,数据库将会扩展到集成模块中,包括,例如带集成转换器的AMR传感器。

测验:

可编程增益放大器设置为128,差分输入电压为0.1 V时,AD7124-4会发生怎样的情形(提示:什么是差分输入?)。基准电压设置为2.5 V,电源:AVDD = 3.3 V,IOVDD:2.7 V(任何其它帮助保持标准设置的数值)。请计算自己的数值并使用Virtual Eval工具进行仿真。

作者介绍:

Christoph Kämmerer [christoph.kaemmerer@analog.com]自2015年2月开始担任ADI公司现场应用工程师。他于2014年毕业于埃尔朗根-纽伦堡大学,获得物理学硕士学位。毕业之后,他曾在利默里克市ADI公司担任工艺开发实习生。2016年12月实习结束后,Christoph正式成为ADI公司的现场应用工程师,擅长新兴应用领域。

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伺服的结构是怎样的?一个最简易的伺服控制单元,就是一个伺服电机加伺服控制器,今天就来解析下伺服电机与伺服控制器。

电机动作的原理

右手螺旋法则(安培定则)——通电生磁

安培定则,也叫右手螺旋定则,是表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则。通电直导线中的安培定则:用右手握住通电直导线,让大拇指指向电流的方向,那么四指的指向就是磁感线的环绕方向;通电螺线管中的安培定则:用右手握住通电螺线管,使四指弯曲与电流方向一致,那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。

弗来明左手法则——磁生力

确定载流导线在外磁场中受力方向的定则。又称电动机定则。左手平展,大拇指与其余4指垂直,手心冲着N级,4指为电流方向,大拇指为载流导线在外磁场中受力方向。

DC伺服马达结构

伺服控制单元

SERVO 语源自拉丁语,原意为“奴隶”的意思,指经由闭环控制方式达到一个机械系统的位置,扭矩,速度或加速度的控制,是自动控制系统中的执行单元,是把上位控制器的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

1. 控制器:动作指令信号的输出装置。
2. 驱动器:接收控制指令,并驱动马达的装置。
3. 伺服马达:驱动控制对象、并检出状态的装置。

伺服马达的种类

伺服马达的种类,大致可分成以下三种:

1. 同步型:采用永磁式同步马达,停电时发电效应,因此刹车容易, 但因制程材料上的问题,马达容量受限制。(回转子:永久磁铁;固定子:线圈)

2. 感应型:感应形马达与泛用马达构造相似,构造坚固、高速时转矩表现良好,但马达较易发热,容量(7.5KW以上)大多为此形式。(回转子、固定子皆为线圈)

3. 直流型:直流伺服马达,有碳刷运转磨耗所产生粉尘的问题,于无尘要求的场所就不宜使用,以小容量为主。(回转子:线圈;固定子:永久磁铁;整流子:磁刷)

SM 同 步 形 伺 服 马 达

■ 特长优点:1. 免维护。2. 耐环境性佳。3. 转矩特性佳,定转矩。4. 停电时可发电剎车。5. 尺寸小、重量轻。6. 高效率。

■ 缺点:1. AMP较DC形构造复杂。2. MOTOR及AMP必需1:1搭配使用。3. 永久磁石有消磁的可能。

IM 感 应 形 伺 服 马 达

■ 特长优点:1. 维护容易。2. 耐环境性佳。3. 高速时,转矩特性佳。4. 可制做大容量,效率佳。5. 构造坚固。

■缺点:1. 小容量机种,效率差。2. AMP较DC形构造复杂。3. 停电时,无法动态剎车。4. 随温度变动影响特性。5. AMP与MOTOR必需1:1使用

DC 直 流 形 伺 服 马 达

■ 特长优点:1. 伺服驱动器构造简单。2. 停电时可发电剎车。3. 体积小、价格低。4. 效率佳。

■ 缺点:1. 整流子外围需定期保养。2. 碳刷磨耗产生(碳粉),无法应用于要求凊絜的场所。3. 因整流器碳刷的问题,高速时转矩差。4. 永久磁石有消磁的可能。

伺服的控制原理

伺服系统的最大特色:透过回馈信号的控制方式〔可做指令值与目标值的比较,因而大幅减少误差状况〕。

何谓回馈信号:向控制对象下达指令后,正确的追踪并查明现在值,且随时回馈控制内容的偏差值、待目标物到达目的地后,回馈位置值,如此反复动作。

控制流程:检测机械本体之位置检出,回路为封闭系统,称之为全闭回路 。相反,检测马达轴端之回路系统就称为半闭回路。

伺服驱动器的内部构成

整流部:通过整流部,将交流电源变为直流电源,经电容滤波,产生平稳无脉动的直流电源。

逆变部:由控制部过来的SPWM信号,驱动IGBT,将直流电源变为SPWM波形,以驱动伺服电机。

控制部分:伺服单元采用全数字化结构,通过高性能的硬件支持,实现闭环控制的软件化,现在所有的伺服已采用(DSP数字信号处理)芯片,DSP,能够执行位置、速度、转矩和电流控制器的功能。给出PWM信号控制信号作用于功率驱动单元,并能够接收处理位置与电流反馈,具有通讯接口。

编码器:伺服电机配有高性能的转角测量编码器,可以精确测量转子的位置与电机的转速,

逆变器采用新型电力电子半导体器件 目前,伺服控制系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半导体器件,主要有大功率晶体管(GTR)、功率场效应管(MOSFET)和绝缘门极晶体管(IGPT)等。

这些先进器件的应用显着地降低了伺服单元输出回路的功耗,提高了系统的响应速度,降低了运行噪声。尤其值得一提的是,最新型的伺服控制系统已经开始使用一种把控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起的新型模块,称为智能控制功率模块(Intelligent Power Modules,简称IPM)。

这种器件将输入隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部集成于一个不大的模块之中。其输入逻辑电平与TTL信号完全兼容,与微处理器的输出可以直接接口。它的应用显着地简化了伺服单元的设计,并实现了伺服系统的小型化和微型化。

本文来源:这些伺服的结构和原理,你真的都还记得吗?

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物联网的发展给全球半导体厂商以及硬件厂商带来了前所未有的机遇与挑战,不少传统老牌企业以及新晋创业公司乘着这股大潮顺势进驻,像三星、苹果、谷歌、华为、小米等企业已经纷纷推出了物联网的相关产品,受到广泛的好评,未来的增长态势一片看好。市场巨大的潜力无疑将给各种有创意、敢创新的物联网产品企业带来带来巨大的机会,在此,爱板网为大家推荐一款具备WiFi、BLE功能,又兼容市面上主流接口的全能物联网开发套件ADI EVAL-ADICUP3029。

ADI EVAL-ADICUP3029开发板

因为曾经也拿到过不少ADI的板子,基本都是很朴素的包装,没什么花头,这次的EVAL-ADICUP3029物联网套件的包装都比较具有科技感了,类似智慧城市中那种万物互联的感觉,很好的突出了本次开发套件的主题。

打开包装,内部几样开发套件最基本的东西,板卡、下载/供电MicroUSB线、WiFi模块,说明页。

比较有意思的是板子的带的WiFi模块是独立的(也就是说我们可以更换不同的WiFi模块开发),还是可以说是2016年最火爆的WiFi模块,极具性价比的ESP8266,目前国内使用esp8266做智能家居等物联网应用开发的工程师还是非常多的,应用方案选择也灵活,对于工程师还是非常友好的。ESP8266 WiFi模块是通过串口与ADI EVAL-ADICUP3029主板相连,组合图下所示。

此次,ADI EVAL-ADICUP3029显然准备的非常齐全,板子搭载了板载的调试器、引出了市面上主流并且通用的GROVE接口、Arduino UNO R3接口、PMOD接口等,可以配套相应的外设模块实现多种组合和开发。

另外,从板子的背面可以看到开发板还提供了不同的供电方式,支持两节1.5V 的7号电池供电,增强了应用的移动性。

ADI EVAL-ADICUP3029开发板搭载了集成电源管理和256KB嵌入式闪存的超低功耗ARM Cortex-M3微控制器,主频26MHz。

从ADUCM3029微控制器的硬件框图来看,微控制器由数字外设、嵌入式SRAM 和闪存、模拟子系统(提供时钟、复位和电源管理功能)以及 ADC 子系统组成,可用于处理、控制和连接。

当然,作为一款面向IoT应用的微控制器,相信大家非常关心其功耗,ADUCM3029具备超低功耗活动和休眠模式:

活动模式(完全开启模式): Flexi™ 模式(内核处于休眠、外设活动状态): 休眠模式(带SRAM保留): 关断模式(可选RTC活动):

ESP8266 WiFi模块

WiFi模块上文已经提到,是采用乐鑫的ESP8266,应该是个现成的模块,模块上本身也有搭载了SPI FLASH,可以单独作为主控制器使用。WiFi模块旁边是两个PMOD接口,一个支持两个I2C接口,另一个是SPI接口,灵活应对不同的PMOD模块组合,灵活性高。

EM9304 BLE模块

PMOD(SPI)接口旁边是一个BLE的电路,不仔细的话可能会忽略,谁教这个方案的集成度太高了,基本没什么外部电子元件。BLE方案采用的是EM微电子的EM9304单芯片BLE SoC。

板载的下载调试器是采用NXP的MK20系列微控制器方案,其实这个调试器组件在原飞思卡尔的板卡上还是非常常见的,常以OpenSDA的调试器存在,ADI EVAL-ADICUP3029板载调试器除了支持SWD的下载调试,还能实现mbed的U盘式(复制/粘贴)下载方式,很实用,也很方便。

调试器对面可以看到3个按键,说起来还挺特别的,这3个按键居然都是复位按键,一个是复位整个微控制器的硬件系统、一个是复位ESP8266的WiFi模块,还有一个是单独复位ADUCM3029微控制器,电路设计得很细。

Arduino接口旁边的白色接口就是GROVE接口,这个接口是像SEED这类出产传感器模块较高的厂商所推崇的,主要是通过I2C信号,实现简单,接口方便,适合多种传感器开发的时候使用。

如果仔细观察的话会发现Arduio接口旁边的一个3段式开关,这可不是电源开关,主要是ADICUP3029的串口转不同信号的切换开关,可实现的切换功能如下:

* mbed的USB串口功能
* Arduino接口中的串口
* EPS8266 WiFi模块上的串口

靠近板子的复位按键处,开发板也提供了USB供电/电池供电的切换开关。

总体来说,ADI的这款EVAL-ADICUP3029开发套件对于物联网开发来说主应用方案还算齐全,低功耗主控、板载调试器、WiFi/BLE连接,用户唯一需要做的就是自己配套各种传感器以及外设功能模块开发相应的应用。在这点上,事实ADI也提供了不少外接模块,不过需要额外花钱购买,至而且模块价格不便宜,这点上的取舍就看用户自己选择了。

开发环境

EVAL-ADICUP3029开发板可以使用ADI专用的IDE工具 CrossCore Embedded Studio,这是基于开源的Eclipse,当然,由于板子采用CMSIS-DAP接口,所以我们也可以通过Keil、IAR这些主流的第三方IDE工具。Keil、IAR这两个工具工程师应该不陌生,具体的开发可以参考ADI官方提供的方法:

https://wiki.analog.com/resources/eval/user-guides/eval-adicup3029/tools...

本文就不再多介绍,下面主要看看ADI自己的CrossCore Embedded Studio(CCES)开发工具如何?

实际使用的时候有几点是比较让人意外的,一个是CCES居然同时支持Windows以及Linux系统,这点上做得很好;另外在使用CCES时候需要一个Lincense,而ADI官方也为EVAL-ADICUP3029的器件专门提供了一个License支持,通用的,大家都能拿来使用:EZK-CCES-QZJ9-PHY8-PWN5-2VEW-YMUB-HUI3-BW01

CCES主界面,很简洁清爽,熟悉Eclipse的同学应该不陌生。

不过,要正式使用IDE开发,还需要需要安装两个东西ADuCM302x Device Family Pack以及ARM CMSIS Pack。

安装方式Window--Perspective--OpenPerspective--Other

选择CMSIS Pack Manager。

到了这个界面就不陌生了,跟Keil的非常相似。DFP可以通过在线更新或者导入的方式。

另外,CCES IDE工具还需要我们安装ARM CMSIS Pack,同样是这个窗口中。

安装完成就可以正式开发了。这里提供几个官方的源码包下载:

ADICUP3029 BSP 1.1.0
BLE Software Pack 1.0.0
Wi-Fi Software Pack 1.0.0

EVAL-ADICUP3029开发板出厂自带了一个Blinkly例程。当然,ADI也为用户提供了众多的例程。

下载调试的操作需要设置正确的微控制器型号以及调试工具。

下载调试。

当然我们还可以通过另一种方式实现下载,这时需要在编译的时候设置下,如下图的命令位置加上:

arm-none-eabi-objcopy -O ihex ${ProjName} ${ProjName}.hex

然后再次编译的话可以看到生成的.hex文件,这时可以直接复制粘贴到U盘实现开发板的程序下载。

小结

物联网的崛起已经势不可挡,在大环境的影响下,越来越多的智能家居、可穿戴设备等物联网应用脱颖而出,EVAL-ADICUP3029作为面向物联网应用的低功耗解决方案平台,不但搭载了主流的无线连接WiFi/BLE功能,还兼容目前市面上的主流接口,可以外接各种传感器,功能模块,帮助开发者在灵活选择应用开发的时候更能节省时间、成本,可谓一举多得;而在开发环境上,EVAL-ADICUP3029不但拥有自家的CCES IDE工具,还能兼容市面上第三方的IDE工具KEIL、IAR,开发灵活,加之ADI专门为工程师提供的源代码,wiki指南库,用户可以非常容易的上手使用EVAL-ADICUP3029开发。

本文转自爱板网,原文链接: http://www.eeboard.com/evaluation/eval-adicup3029/

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鸡鸣过后,太阳还没完全从地平线跳出来,空气中含着些微的冷气,老店迎来了第一位客人。
老板寒暄:“今儿个来真早,要点什么?”
“SAR ADC模拟输入架构的输入器件。”
“得嘞,您是要单端输入,伪差分输入还是差分输入呢?”
客人微微皱眉:”这么多类型,可怎么选好?“
老板笑道:“这些输入类型的器件我这儿全都有,这就说说其中的门道。。。“

什么是 SAR ADC

逐次逼近型模数转换器又称SAR ADC,是通用级模数转换器,可产生连续模拟波形的数字离散时间表示。它们通过电荷再分配过程完成这一任务;在此过程中,已知的定量电荷与ADC输入端获取的电荷量相比较。期间针对所有可能的数字代码(量化电平)执行二进制搜索,最终结果收敛至某一代码,使内部集成的比较器返回平衡状态。0和1的组合表示电路产生的决策序列,使系统回到均衡状态。

SAR ADC是通用、易用、完全异步的数据转换器。但是,决定特定应用使用哪种转换器时,仍需做出一些选择。本文具体讨论ADI SAR ADC产品组合提供的模拟输入信号类型。但应注意,尽管本文关注的是SAR ADC,输入类型通用于所有ADC架构。根据所考虑电路的信号源类型或总体目标,需要做出特定设计决策和权衡。最简单的解决方案是匹配ADC输入类型与信号源输出配置。不过,源信号可能需要改变信号类型的调理,或者存在成本、功率或面积考虑因素,影响模拟输入类型决策。我们来了解一下不同的可用模拟输入类型。

单端输入

最简单的模拟输入类型是单端输入。此时,信号从来源到达ADC仅需要一条线路。这种情况下将使用单个输入引脚,无信号源直接返回或感测路径。相对于ADC的接地引脚产生转换结果。根据特定器件,输入可能为单极性或双极性。单端情况下,简单是其优点。信号从来源到达ADC仅需要一条走线。这可以减少系统复杂性,同时降低总信号链的功耗。当然简单也可能有代价。单端设置不会抑制信号链内的直流失调。单端系统需要相对于载流地层执行测量,信号源接地与ADC接地之间的电压差异可能出现在转换结果中。而且,设置更易受耦合噪声影响。因此,信号源和ADC应彼此靠近,以缓解这些效应。

单端单极性

图1. 单端单极性

如果SAR ADC是单极性单端配置,容许信号摆幅介于接地与正满量程之间,通常由ADC基准电压输入设置。单端单极性输入的直观表示可参见图1。采用单端单极性输入的器件有AD7091R和AD7091R-8。

单端双极性

图2. 单端双极性

如果SAR ADC是双极性单端配置,容许信号摆幅介于对地正满量程与负满量程之间。同样,满量程通常由ADC基准电压输入设置。单端双极性输入的直观表示可参见上图。采用单端双极性输入的器件有AD7656A-1。

伪差分输入

如果需要感测信号地或从载流地层解耦相对测量结果,信号链设计人员可能考虑迁移至伪差分输入结构。伪差分器件本质上是带参考地的单端ADC。器件执行差分测量,但检测的差分电压是相对于输入信号接地电平测量的单端输入信号。单端输入被驱动至ADC的正输入端(IN+),输入接地电平被驱动至ADC的负输入端(IN–)。需要注意的是,信号链设计人员必须注意负输入的模拟输入范围。

绝对输入电压示例

图3. 绝对输入电压示例

一些情况中,负输入引脚相对于正输入具有有限的输入范围。这些情况下,正输入可在容许输入电压范围内自由摆动,而ADC的负输入可限制在ADC接地附近的较小±电压范围内。每个ADC输入的容许输入范围可在数据手册中找到。参见“绝对输入电压”规格表。

如果具有有限IN–电压范围的伪差分器件(比如AD7980)需要抑制大于绝对输入电压范围的干扰信号,信号链设计人员可能需要考虑仪表放大器,以在信号到达ADC前消除较大的共模。有三种伪差分配置:单极性、伪双极性及真双极性。ADI SAR ADC产品组合提供采用以上每一种配置的器件。采用单极性伪差分输入的器件有AD7980和AD7988-5。

单极性伪差分

图4. 单极性伪差分

在单极性伪差分设置中,单端单极性信号被驱动至ADC的正输入端,信号源地被驱动至负ADC输入端,如图所示。

在伪双极性设置中,单端单极性信号被驱动至ADC的正输入端。然而,信号源地未被驱动至ADC的负输入端,此输入到达满量程电压的一半。本例中,输入范围为±VFS /2,而非0至VFS 。未出现动态范围增加,单极性情况与伪双极性情况之间的差异是测量正输入所依靠的相对电压。提供伪双极性输入选项的器件有AD7689。

伪双极性

图5. 伪双极性

与单极性伪差分情况相同,伪双极性负输入具有有限的输入范围。不过,此时电压将在VFS/2而非接地左右变化。上图是伪双极性输入范围图。本例中,VOFF = VFS/2。

伪差分真双极性情况与单极性伪差分情况很相似,只不过单端正ADC输入可在低电压上下摆动。通常,峰峰值输入范围是基准电压的两倍或此比例的倍数。提供伪差分真双极性输入的器件有AD7606。

伪差分真双极性

图6. 伪差分真双极性

例如,如果基准电压为5 V,那么伪差分真双极性器件可接受±5 V范围内的输入。图6显示伪差分真双极性输入范围图。

差分输入

伪差分架构优于单端架构之处在于能够抑制转换系统内的特定扰动信号。不过,存在可提供相同抑制优势,同时也增加系统动态范围的架构。

ADI提供两种带有差分输入的器件。本文介绍的第一种是差分反相。本例中,ADC转换ADC正负输入之间的差异,同时正负输入彼此180°反相摆动。通常,差分反相器件为单极性。因此,差分器件的每一侧将在低电压与正满量程(由基准电压输入设置)之间摆动。由于差分器件每一侧180°反相,输入共模固定。与伪差分器件相似,差分反相器件可限制其容许共模输入范围。此范围可在产品数据手册的规格表中找到。如下图7所示。对于ADC输入的绝对输入范围为0伏至正满量程的器件,共模电压为V FS/2。大多数情况下,对于高分辨率(16位及更高)差分反相SAR ADC,共模电压范围为典型共模电压±100 mV。

差分共模输入范围

图7. 差分共模输入范围

差分架构允许用户最大限度地增加ADC的输入范围。与单端或伪差分方案相比,差分信号可将给定电源和基准电压设置的输入范围加倍,提供最多6 dB的动态范围增加,而不增加器件功耗。

需要绝对最佳性能时,通常选择差分反相器件。差分信号将提供最大噪声抑制,趋于消除偶次项失真特性。如图8所示,由于差分器件引脚以相反方向摆动,动态范围和SNR相对于单端和伪差分配置有所改善。

差分信号带来的动态范围增加

图8. 差分信号带来的动态范围增加

如果需要在信号源为单端的信号链中最大限度地提高系统性能,可使用单端至差分放大器,例如ADA4940-1或ADA4941-1,以适当调理输入信号,匹配其与ADC的共模。图9显示了差分反相输入范围图。采用差分反相输入的器件有AD7982、AD7989-5以及AD7915。

差分反相

图9. 差分反相

如同伪差分器件,如果系统内存在较大共模,应使用仪表放大器来调理共模主体。差分ADC可处理共模中的精细变化,且聚合信号链具有极佳的CMRR。

共模范围限制是实现最佳性能和避免影响转换器动态范围所必需的。使用差分反相器件时有一些常见错误,可能违反共模范围。图10显示了实施差分反相器件时常发生的用户错误。违反在图7限制下工作的器件的数据手册。

违反共模

图10. 违反共模

此情形中,差分信号非180°反相。因此,共模在两个ADC输入引脚间剧烈变化。另一个常见的差分反相失误是180°反相、但共模不当的信号,或者将ADC的IN-引脚连接至直流基底电压。在负ADC输入端提供直流电压很快便会违反共模范围规格,同时消除差分信号的动态范围优势。第二种差分信号是测量任意两个信号之间的差分,而不论共模如何。

ADI提供一系列基于SAR ADC技术的集成式数据采集解决方案测量全差分信号。对于寻找具有宽容许输入共模范围的集成式数据采集解决方案的信号链设计人员,ADI提供ADAS3022和ADAS3023。它们分别是双极性连续和同步采样数据采集系统,共模范围宽达±10 V。在此范围内,它们可展示任意两个信号间的差异。

模拟输入类型可影响数字输出编码。具有单极性输入范围的转换器,例如单端单极性和伪差分器件,采用直接二进制编码。代码0将代表负满量程输入电压,代码2N – 1(N为位数)将代表正满量程输入。具有±极性输入的器件将采用二进制补码,以便将符号位提供给用户。具有±极性的器件包括单端双极性、伪差分双极性、伪双极性和全差分器件。对于这些ADC,负满量程输入将由代码–2N – 1代表,正满量程输入将由代码2N – 1 – 1代表。

结论

SAR ADC是创建模数转换信号链的通用、低功耗、高性能选项。这些器件易于实施。不过,为获得系统的所需性能,必须做出特定架构选择。本文具体讨论ADI SAR ADC产品组合提供的模拟输入类型选择。每种输入类型提供特定优势,同时必须做出特定权衡。如上所述,正确的选择对于实现最佳性能至关重要。

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