DAC/比較器架構與集成ADC優勢比較
本章節列舉了DAC/比較器架構和集成ADC相比所具備的優勢。所討論的應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電力線電壓跌落、浪涌以及瞬態檢測和故障記錄。理想的設計是采用墻上設備監測電力線異常,并將每次異常發生的時間記錄到RAM中(電壓跌落和浪涌的持續時間可以從幾毫秒到幾小時;瞬態可能短至10微秒)。監視器必須記錄電力線完全失效的持續時間,因此,監視器應當由電池供電。
傳統解決方案是采用控制器和ADC。由于轉換器連續對電力線電壓采樣,控制器需將每次采樣值與軟件中用戶設定的限制進行比較,并將任何超出規定的狀態記錄到RAM。由于系統必須能夠追蹤到短至10μs的瞬態情況,ADC采樣間隔必須相當短——保守估算時間可以長達2.5μs。因此,控制器必須以1/2.5μs = 400ksps的速率進行采樣處理。
如果軟件比較具有高效編碼并且ADC無需處理器干預,系統每次采樣可執行少于10條指令,這就要求處理器具有4MIPS的能力。這種執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偏離進行響應,用以替代連續跟蹤方案。
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路設置/復位觸發器。一組DAC/比較器/FF監測高瞬態電壓,一組監測低瞬態電壓,一組用于監測電網跌落,一組用于監測浪涌(圖2)。瞬態電壓直接耦合到比較器,連接到電壓跌落和浪涌監測比較器的輸入首先要進行整流和濾波,以獲得電網電壓的平均值。可在軟件中調整到合適的rms。
系統每T秒進行采樣并對觸發器復位,此處T為瞬態記錄時間分辨率(也許為60s)。高、低瞬態電平DAC用于設置所要求的門限。電壓跌落和浪涌DAC在每T秒間隔后進行調整,采用逐次逼近技術產生高、低門限,以跟蹤目前平均值。
假設執行逐次逼近以及其它任務的子程序具有1000條指令(保守估計),對于T=60s,CPU平均每秒執行17條指令。執行速率是0.00002MIPS,非常適合低功耗系統,遠遠低于ADC方案的4MIPS。為進一步降低功耗,控制器可在大部分時間內處于“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換為模擬硬件方式,該電路大大降低了功耗、設計復雜性以及成本。
較低的故障檢測和診斷維護成本
打印頭控制、車輛控制以及許多其它機電應用,需嚴格監視內部電壓和溫度以確定何時更換工作模式。極端情況下,這種反饋可使系統避免全部關斷自毀。例如,在必要時步進電機控制器必須調整輸出MOSFET的柵極驅動以避免線性工作時消耗過多功率。
監測這些問題的傳統方法是采用ADC(圖8a)。處理器控制ADC進行周期性測量,與控制處理保持時間常數一致。然后對結果的量化值進行縮放后與軟件中的門限進行比較。如果超出范圍,可觸發糾正動作或者全部關斷系統。
另外一種方法是采用DAC/比較器組合(圖8b)。靜態DAC輸出建立關斷門限或比較器觸發值。當溫度變化造成比較器觸發,比較器會對處理器發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)可降低系統成本、響應時間以及軟件開銷
另一方面,為支持ADC,處理器在跳轉到關斷子程序之前必須輪詢ADC、輸入采樣值并與先前設定值進行比較。這樣,DAC/比較器不僅節約成本,而且提供了比采用ADC的更快響應;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性并可測量中間傳輸長度的儀器。廉價的便攜式TDR隨著網絡電纜的增加變得非常普遍。
TDR工作原理類似于雷達,沿著線纜發送一個主脈沖并監測由開路、短路、或者其它電纜阻抗不連續產生的反射。發射脈沖及其反射波傳輸延時間隔大約為每英尺3.3ns,假設線傳輸速率為0.6c(光速的十分之六)。那么,在電子學上10ns時間分辨率可分辨出大約3英尺距離的不連續性。
接收到的脈沖幅度和發送脈沖幅度的比用于計算反射系數。知道反射系數和電纜阻抗就可以計算不連續阻抗,從這些信息可推斷出不連續的原因。同軸電纜在反射回路上對脈沖的衰減使其變得復雜,因此,軟件必須對此進行補償,通常根據測量距離施加一個幅度修正。

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