DAC/比較器架構(gòu)與集成ADC優(yōu)勢比較

本章節(jié)列舉了DAC/比較器架構(gòu)和集成ADC相比所具備的優(yōu)勢。所討論的應(yīng)用電路既常見又簡單，也存在一些共性問題。

　　首先，考慮采用低成本方法實現(xiàn)電力線電壓跌落、浪涌以及瞬態(tài)檢測和故障記錄。理想的設(shè)計是采用墻上設(shè)備監(jiān)測電力線異常，并將每次異常發(fā)生的時間記錄到RAM中(電壓跌落和浪涌的持續(xù)時間可以從幾毫秒到幾小時;瞬態(tài)可能短至10微秒)。監(jiān)視器必須記錄電力線完全失效的持續(xù)時間，因此，監(jiān)視器應(yīng)當(dāng)由電池供電。

　　傳統(tǒng)解決方案是采用控制器和ADC。由于轉(zhuǎn)換器連續(xù)對電力線電壓采樣，控制器需將每次采樣值與軟件中用戶設(shè)定的限制進(jìn)行比較，并將任何超出規(guī)定的狀態(tài)記錄到RAM。由于系統(tǒng)必須能夠追蹤到短至10μs的瞬態(tài)情況，ADC采樣間隔必須相當(dāng)短——保守估算時間可以長達(dá)2.5μs。因此，控制器必須以1/2.5μs = 400ksps的速率進(jìn)行采樣處理。

　　如果軟件比較具有高效編碼并且ADC無需處理器干預(yù)，系統(tǒng)每次采樣可執(zhí)行少于10條指令，這就要求處理器具有4MIPS的能力。這種執(zhí)行能力并不適合采用電池供電(圖1)。需要考慮用模擬方法對輸入瞬態(tài)偏離進(jìn)行響應(yīng)，用以替代連續(xù)跟蹤方案。

　　在這種情況下，DAC/比較器替代方案提供了幾個明顯優(yōu)勢。需要4個DAC和4個比較器(或一片MAX516)，后面連接一個4路設(shè)置/復(fù)位觸發(fā)器。一組DAC/比較器/FF監(jiān)測高瞬態(tài)電壓，一組監(jiān)測低瞬態(tài)電壓，一組用于監(jiān)測電網(wǎng)跌落，一組用于監(jiān)測浪涌(圖2)。瞬態(tài)電壓直接耦合到比較器，連接到電壓跌落和浪涌監(jiān)測比較器的輸入首先要進(jìn)行整流和濾波，以獲得電網(wǎng)電壓的平均值?？稍谲浖姓{(diào)整到合適的rms。

　　系統(tǒng)每T秒進(jìn)行采樣并對觸發(fā)器復(fù)位，此處T為瞬態(tài)記錄時間分辨率(也許為60s)。高、低瞬態(tài)電平DAC用于設(shè)置所要求的門限。電壓跌落和浪涌DAC在每T秒間隔后進(jìn)行調(diào)整，采用逐次逼近技術(shù)產(chǎn)生高、低門限，以跟蹤目前平均值。

　　假設(shè)執(zhí)行逐次逼近以及其它任務(wù)的子程序具有1000條指令(保守估計)，對于T=60s，CPU平均每秒執(zhí)行17條指令。執(zhí)行速率是0.00002MIPS，非常適合低功耗系統(tǒng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于ADC方案的4MIPS。為進(jìn)一步降低功耗，控制器可在大部分時間內(nèi)處于“休眠”，僅在處理電力線異常時喚醒。將電壓比較從軟件方式轉(zhuǎn)換為模擬硬件方式，該電路大大降低了功耗、設(shè)計復(fù)雜性以及成本。

　　較低的故障檢測和診斷維護(hù)成本

　　打印頭控制、車輛控制以及許多其它機電應(yīng)用，需嚴(yán)格監(jiān)視內(nèi)部電壓和溫度以確定何時更換工作模式。極端情況下，這種反饋可使系統(tǒng)避免全部關(guān)斷自毀。例如，在必要時步進(jìn)電機控制器必須調(diào)整輸出MOSFET的柵極驅(qū)動以避免線性工作時消耗過多功率。

　　監(jiān)測這些問題的傳統(tǒng)方法是采用ADC(圖8a)。處理器控制ADC進(jìn)行周期性測量，與控制處理保持時間常數(shù)一致。然后對結(jié)果的量化值進(jìn)行縮放后與軟件中的門限進(jìn)行比較。如果超出范圍，可觸發(fā)糾正動作或者全部關(guān)斷系統(tǒng)。

　　另外一種方法是采用DAC/比較器組合(圖8b)。靜態(tài)DAC輸出建立關(guān)斷門限或比較器觸發(fā)值。當(dāng)溫度變化造成比較器觸發(fā)，比較器會對處理器發(fā)出中斷來啟動糾正動作。必要時，處理器還可以通過啟動基于軟件的逐次逼近程序來確定極限溫度值。

　　表1 逐次逼近偽代碼

　　圖8 在這種情況下，用DAC和比較器(b)替換ADC(a)可降低系統(tǒng)成本、響應(yīng)時間以及軟件開銷

　　另一方面，為支持ADC，處理器在跳轉(zhuǎn)到關(guān)斷子程序之前必須輪詢ADC、輸入采樣值并與先前設(shè)定值進(jìn)行比較。這樣，DAC/比較器不僅節(jié)約成本，而且提供了比采用ADC的更快響應(yīng);同時還減小了處理器開銷。

時域反射計

　　最后，低成本、低功耗DAC/比較器組合(相對于ADC)在便攜式時域反射計(TDR)中非常實用，后者是一種用于檢測電纜的不連續(xù)性并可測量中間傳輸長度的儀器。廉價的便攜式TDR隨著網(wǎng)絡(luò)電纜的增加變得非常普遍。

　　TDR工作原理類似于雷達(dá)，沿著線纜發(fā)送一個主脈沖并監(jiān)測由開路、短路、或者其它電纜阻抗不連續(xù)產(chǎn)生的反射。發(fā)射脈沖及其反射波傳輸延時間隔大約為每英尺3.3ns，假設(shè)線傳輸速率為0.6c(光速的十分之六)。那么，在電子學(xué)上10ns時間分辨率可分辨出大約3英尺距離的不連續(xù)性。

　　接收到的脈沖幅度和發(fā)送脈沖幅度的比用于計算反射系數(shù)。知道反射系數(shù)和電纜阻抗就可以計算不連續(xù)阻抗，從這些信息可推斷出不連續(xù)的原因。同軸電纜在反射回路上對脈沖的衰減使其變得復(fù)雜，因此，軟件必須對此進(jìn)行補償，通常根據(jù)測量距離施加一個幅度修正。