高分解能マルチチャンネル SAR ADC 

産業用システム向けの高分解能マルチチャネル SAR ADC を選択するための重要な基準

アナログデジタルコンバータ (ADC) の選択によって、測定チェーン全体の精度が決まります。ロシアや CIS 諸国の産業顧客と協力する中で、エンジニアが変換アーキテクチャを無視してビット数だけでチップを選択する状況によく遭遇します。これは間違いです。高分解能マルチチャンネル SAR ADC単なる 16 ビットまたは 18 ビットのコンポーネントではありません。これは複雑なシステムであり、サンプリング速度、入力整定時間、内部基準電圧の品質が重要な役割を果たします。

SAR (逐次比較レジスタ) アーキテクチャは、速度と精度のバランスが必要なアプリケーションで主流です。低速を犠牲にして高分解能を提供するシグマデルタ ADC とは異なり、SAR コンバータを使用すると、大幅な遅延なく信号をリアルタイムでデジタル化できます。ただし、複数のチャンネルを使用する場合、クロストーク、チャンネル切り替え時の不安定性、入力ドライバーの要件など、特有の問題が発生します。

この記事では、高品質の産業用 ADC と低価格のアナログ ADC を区別する技術的なニュアンスを分析し、データ収集回路を設計する際のよくある間違いを回避する方法を示します。当社は、深刻な電磁干渉と広い温度範囲の条件下での機器の実装の実例に基づいています。

SAR アーキテクチャとシグマ デルタ: アプリケーション コンテキストが重要な理由

マイクロ回路のバッチを購入する前に、測定信号のダイナミクスを明確に判断する必要があります。多くのベンダーが、ワンストップの「高精度」ソリューションとしてシグマデルタ ADC を提供しています。これは、熱電対による温度測定やひずみゲージによる重量測定など、静的なプロセスまたはゆっくりと変化するプロセスにのみ当てはまります。

エンジン振動の監視、出力品質の分析、または複数の圧力センサーからのデータの迅速な収集がアプリケーションに含まれる場合、群遅延を生み出す内蔵デジタル フィルターのため、シグマデルタは適していません。ここで必要なのが高分解能マルチチャンネル SAR ADC。確定的な変換レイテンシーを提供します。サンプリングの開始からデータが出力に表示されるまでの時間は固定されており、予測可能です。

私たちの実践例を見てみましょう。クライアントはポンプ場の状態を監視するシステムを開発していました。当初、彼らは 24 ビット シグマ デルタ コンバータを使用していました。短期間の圧力サージ (ウォーターハンマー) を記録しようとすると、システムは濾過のためにピーク値を逃してしまいました。これをサンプリング レート 1 MSPS の 18 ビット SAR ADC に置き換えることで、持続時間 1 μs 未満の過渡現象をキャプチャできるようになりました。 DC精度は依然として十分（誤差0.05％未満）でしたが、動特性は劇的に改善されました。

産業用コントローラー (PLC) および I/O モジュールにとって、SAR の主な利点は、同時サンプリングまたは高速メモリ マルチプレクサーを使用するときに、位相ロックを失うことなくチャネルを順次サンプリングできることです。

マルチチャンネルシステムにおけるクロストークの問題

複数の入力に単一の SAR コアを使用する場合の主な課題は、セトリング時間です。 DAC (CDAC) の内部コンデンサは、収集時間中に入力電圧レベルまで充電する必要があります。マルチプレクサがチャンネル 1 (0V など) からチャンネル 2 (5V) に切り替わると、大電流サージが発生します。外部ドライバが割り当てられた時間内に内部コンデンサの充電に対応できない場合、変換結果は誤ったものになります。

入力フィルタリング回路の計算が正しくなかったために、誤差が 10 ～ 15 LSB (最下位ビット) に達したケースを観察しました。解決策は次の 2 つのステップです。

• 高スルーレートのバッファアンプを採用。
• ADC の入力に外部 RC 回路を追加します。コンデンサは内部 CDAC のローカル電荷リザーバとして機能します。

コンポーネントを選択するときは、マルチチャンネル モードの「スループット レート」設定に注意してください。多くの場合、メーカーは 1 つのチャネルの最大周波数を指定しますが、4 または 8 チャネルが含まれる場合、この周波数は分割されます。実際のシステムパフォーマンスは、マルチプレクサの切り替え時間とセットアップ時間によって異なります。

産業環境における信頼性に影響を与える技術的パラメータ

工場、変電所、車両内での作業には、極端な要因への曝露が伴います。実験室で +25°C で取得されたデータシートのデータは、-40°C または +85°C でのチップの動作とは大きく異なる場合があります。評価するとき高分解能マルチチャンネル SAR ADC3 つの重要な特性に焦点を当てることをお勧めします。

1. 積分非線形性 (INL) と微分非線形性 (DNL)

ビット解像度 (たとえば、16 ビット) は、量子化レベルの数のみを示します。実際の精度は INL によって決まります。精密測定の場合、INL は ±1 LSB 以上である必要があります。 INL が ±4 LSB の場合、下位 2 ビットは「ノイズ」であり、有用な情報は含まれません。実際の実効解像度は低下します。

入力電圧範囲全体にわたって INL グラフを確認することが重要です。安価な類似品の中には、スケールの中心では良好な直線性を示しますが、範囲の端付近 (レールツーレール) では大きな偏差が見られるものもあります。 0 ～ 10 V または 4 ～ 20 mA 信号を提供するセンサーを備えたシステムでは、これにより測定範囲の端で系統誤差が発生します。

2. 電圧基準温度ドリフト (Vref)

SAR ADC はレシオメトリックです。その結果は入力信号と基準電圧の比率に依存します。内部 ION の温度係数 (TC) が高い場合、オートメーションキャビネット内の温度が変化すると、入力信号が安定していても測定値が「変動」します。

内蔵イオン源がアプリケーション要件を満たさない場合は、TC が 5 ppm/°C 以下の外部高精度イオナイザーを使用することをお勧めします。ただし、これによりコストと基板面積が増加します。モダンな高品質高分解能マルチチャネル SAR ADC多くの場合、温度ドリフト補償を備えた校正済みの内部イオナイザーが統合されており、外部コンポーネントの数が削減されます。

3. コモンモード除去比 (CMRR) と電源ノイズ (PSRR)

産業用ネットワークには、伝導ノイズを発生させる強力なインバーターとモーターが含まれています。高い PSRR (電源除去比) により、ADC は電力線を通って来るノイズを除去できます。最大 100 kHz の周波数で 80 dB を超える PSRR は、工業用グレードに適していると考えられます。

出典:IEEE標準協会は、アナログ電源システムの設計時に PSRR を無視することが、機器の電磁適合性 (EMC) 認証で失敗する主な原因の 1 つであると指摘しています。

人気ソリューションの比較：エンジニア向け選択表

意思決定プロセスを簡素化するために、さまざまなクラスの SAR ADC の典型的な特性の比較表を作成しました。注: 特定のモデルは変更される可能性がありますが、クラスは同じままです。

ほとんどの自動化タスク (SCADA、PLC) では、最適な選択は「工業標準」です。精度クラスに対する過剰な支払いが正当化されるのは、計測機器または医療診断の場合のみです。予算セグメントは、絶対値ではなくパラメータ変化の傾向のみが重要な、重要ではない監視タスクに適しています。

バッチを注文する場合は、認証が利用可能かどうかを確認することが重要です。ロシアおよび EAEU 市場の場合、最終機器の合法的な販売には GOST R 適合証明書または TR CU 宣言の存在が必須です。当社のような中国の製造業者や販売業者は、信頼性試験レポートを含むこれらの手順に関する完全な文書を提供することが増えています。

統合と一般的な PCB 設計の間違い

最高のものでも高分解能マルチチャンネル SAR ADCPCB 配線が正しく行われていない場合、機能が低下します。回路のアナログ部分とデジタル部分は厳密に分離する必要があります。

1. 接地。ADC チップの下のアナログ グラウンドとデジタル グラウンド (スター グラウンド) の間に単一の接続ポイントを使用します。長距離にわたるアース層の分離により、干渉を受信するためのアンテナが作成されます。デジタル インターフェイスからの戻り電流がアナログ領域を流れてはなりません。
2. 電源デカップリング。0.1 µF コンデンサは、VDD および VREF 電源ピンのできるだけ近くに配置する必要があります。高速 SAR ADC では、内部スイッチを切り替えるときに電流を安定させるために、追加の 10 µF セラミック コンデンサも必要です。
3. SPI ラインの長さ。クロック信号 (SCLK) は高周波ノイズの発生源です。マイクロコントローラーから ADC までの配線の長さを最小限に抑えます。距離が長い場合は、バッファを使用するか、クロック周波数を下げてください。インピーダンスを一致させてリンギングを低減するために、データ ラインに直列抵抗 (22 ～ 33 オーム) を必ず追加してください。
4. シールド。非常に弱い信号 (ミリボルト) を扱う場合は、湿度による基板表面に沿った電流漏れを防ぐために、ADC と入力回路をファラデー ケージ内に配置するか、保護ワニスで覆うことをお勧めします。

私たちがこれまでに見た中で最も高価な間違いの 1 つは、ADC のアナログ部分の直下にスイッチング モード (DC-DC) 電源を配置したことです。スロットルからの磁場は、敏感なノードに直接ノイズを引き起こします。このソリューションでは、ボードの完全な再配線とスクリーンの追加が必要となり、製品のコストが 30% 増加しました。

物流と購買: 供給リスクを回避する方法

世界的な半導体不足により、長いサプライチェーンの脆弱性が露呈した。サプライヤーを選ぶとき高分解能マルチチャネル SAR ADC1個あたりの価格だけでなく、在庫の安定性や部品の真正性の保証も考慮してください。

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同社の主な活動は、アナログ - デジタル コンバーター (LHA6961、ZJC2000 シリーズ)、無線周波数ソリューション、Loongson アーキテクチャ プロセッサー、特殊コントローラーなどのハイテク半導体ソリューションの販売です。すべてのコンポーネントは、産業オートメーション、通信機器、再生可能エネルギー システムで使用するために設計されています。

現在、中国の電子機器メーカーは、同等の特性を備えながら納期が短い、西側ブランド (ADI、TI) の代替品を提供しています。ただし、ここには落とし穴がありますので、それを回避できるようにお手伝いします。

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6～12か月の固定価格で長期枠組み協定を締結することをお勧めします。これにより、為替変動や原材料価格の突然の高騰からプロジェクトが保護されます。 Wuhan Xinhualong Technologies LLC の市場活動は CIS 諸国とユーラシア経済連合をカバーしており、協力が便利で法的に透明です。

よくある質問

16 ビット SAR ADC と 18 ビット SAR ADC の本当の違いは何ですか?

理論的には、18 ビットは 16 ビットの 4 倍の量子化レベルを提供します。実際には、チップの統合非線形性 (INL) が 18 ビットで 1 LSB 未満である場合にのみ、違いが顕著になります。 INL がさらに悪い場合、余分なビットにノイズが含まれることになります。 90 dB を超えるダイナミック レンジの信号を測定する場合、18 ビットが正当化されます。 0.1% の精度で 0 ～ 10 V の標準タスクの場合、高品質の 16 ビット コンバータで十分です。

1 つの SAR ADC を使用して 8 チャネルを同時にサンプリングすることはできますか?

いいえ、従来のシングルコア SAR ADC はチャネルを順番にポーリングします。最初のチャネルと最後のチャネルをポーリングする間の遅延は、数マイクロ秒になる場合があります。厳密な同時性が必要な場合 (たとえば、三相ネットワークの電力を計算する場合)、同時サンプリング アーキテクチャ (マルチコア) を備えた ADC または外部サンプル アンド ホールド アンプを使用します。または、信号周波数がわかっている場合は、ソフトウェアで数学的位相補正を使用します。

ADC 入力を過電圧から保護するにはどうすればよいですか?

SAR ADC の入力には薄い酸化物層があり、過剰な電源電圧に敏感です。応答時間が短く、入力に制限抵抗を備えた外部ダイオード アセンブリ (TVS ダイオード) を使用します。最大 ±60 V までのサージ保護を統合した特殊な入力ドライバも用意されており、産業環境におけるシステムの信頼性が大幅に向上します。

センサーからのケーブルの長さは SAR ADC の精度に影響しますか?

はい、ケーブルが長いと静電容量とインダクタンスが増加し、回路の安定性が低下し、RF 干渉を受けやすくなります。 SAR ADC には、低い信号源インピーダンスが必要です。長い回線の場合は、必ずセンサーの近くで差動入力と計装アンプを使用し、信号を差動形式で ADC に渡します。これにより、ケーブル内に誘導されるコモンモード干渉が抑制されます。

結論と次のステップ

正しいものを選択する高分解能マルチチャンネル SAR ADCシステムの速度、精度、コストのバランスです。アプリケーション アーキテクチャで高いデータ更新速度が必要な場合は、最大ビット数を追求しないでください。直線性、温度安定性、既存の回路への統合の容易さを求めてください。

会社名武漢新華隆科技有限公司複雑な自動化プロジェクトに産業用コンポーネントを供給した経験があります。当社のスペシャリストは、当社の豊富な製品ラインナップの中からお客様の技術要件に最適なモデルを選択するお手伝いをし、設計段階での技術サポートを提供し、納期の順守を保証します。当社は、ISO 9001 規格と産業用途の信頼性要件を満たす実績のある生産ラインと連携しています。

コンポーネントの選択を誤ったり、サプライヤーが信頼できないために、最終製品の品質を危険にさらさないでください。類似体の選択に関するアドバイスを取得し、テスト用のサンプルをリクエストしてください。

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