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模数转换器 (ADCs)

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7.2 动手实验 - 系统功率调节

大家好,欢迎观看 TI 高精度实验室 动手实验,其中 介绍 ADC 功耗调节。 在该实验中,我们 将使用手动计算 来预测采用不同放大器 和不同采样率时的 ADC 系统功耗。 然后,我们将 测量系统功耗 并将其与手动 计算进行比较。 在前一个高精度实验室 视频中,我们详细介绍了 针对不同的 放大器和 不同的采样率计算 功耗所需执行的步骤。 对于该实验,我们 将快速回顾和总结 该过程。 我们将使用手动 计算来确定六种 不同配置的功耗。 我们将简短地 介绍测量电路的 工作原理。 最后,我们将测量 这些电路的功耗 并将其与计算的 结果进行比较。 对于该实验, 我们将测量 三种不同的放大器。 请记住, 静态电流 与放大器的 带宽成反比。 此外,需要使用 带宽放大器来 实现高采样率。 首先,我们将针对 1 兆个样本/秒和 50 万个样本/秒的 采样率使用 OPA320。 该放大器具有 20 兆赫兹的带宽 和 1.75 毫安的 最大静态电流。 接下来,我们将 针对 10 万个样本/秒 和 1 万个样本/秒的 采样率使用 OPA313。 该放大器具有 1 兆赫兹的带宽 和 90 微安的 最大静态电流。 最后,我们将针对 1 千个样本/秒和 200 个样本/秒的 采样率使用 LPV811。 该放大器具有 8 千赫兹的带宽 和 540 纳安的 最大静态电流。 在下一张幻灯片中, 我们将使用该信息 来计算系统功耗。 该表显示了 我们将测量的 所有不同测试 配置的计算 最大功耗。 显示的示例计算 适用于 OPA320 50 万 个样本/秒采样率的情况。 有关功耗调节的高精度 实验室讲座中详细介绍了 这些计算。 我们回顾一下该计算。 首先,我们计算 表示为 PDVDD 的 数字通信功耗。 通过 C 乘以 V 乘以 N 位乘以 fs 来计算数字 电流,其中 C 是 数字输出线路 电容,V 是数字 信号电平,位数 是 ADC 的位数, fs 是采样率。 该公式实际上 是电荷乘以数字 输出线路上的 每秒最大转换 次数。 将该电流乘以 VDVDD 可转换为功耗。 在本例中,电源 电压是 3.3 伏。 数字输出总线 电容是 10 皮法。 位数是 12。 采样率是 50 万个样本/秒。 数字功耗 等于 653.4 微瓦。 PAVDD 是 ADC 的 模拟功耗。 可以通过将 AVDD 电源电压乘以电流 来计算该功耗。 可以使用产品 说明书中的信息 和采样率来计算电流。 数据表提供了 在 1 兆个样本/秒的 采样率下测量的电流。 这可以通过采样率 与 1 兆个样本/秒之比 进行调节。 插入数值,您可以 看到模拟 ADC 功耗 是 345 微瓦。 最后,让我们来 计算放大器功耗。 可以通过将 放大器电源 电压乘以静态 电流来计算 放大器功耗。 请注意,放大器 功耗不依赖于 采样率。 在该示例中,4.5 伏 乘以 1.75 毫安 可得到 7.875 毫瓦的功耗。 针对每个放大器和 采样率重复执行了 这些计算。 稍后,我们要将 这些计算与 测量值进行比较。 该幻灯片展示了 EVM 如何测量电流。 该页的顶部用 红圈圈起来的 电流表用于 测量流入模拟、 数字和放大器 电源的电流。 分流电阻器将电源 电流转换为电压。 请注意,可以针对不同的 电流范围使用跳线来 选择分流器。 另请注意,校准 位置将 INA 输入 短路,从而 能够测量 系统偏移。 在所示的示例中, 197 微安的数字 电源电流流过 20 欧姆的分流 电阻器,从而产生 3.94 毫伏的输入电压。 823 的 INA 增益将 其增加为 3.343 伏。 然后衰减器根据 ADS1220 输入要求 对该值进行调节。 使用了 ADS1220 Δ-Σ 转换器, 因为它会自动对 输入信号求平均值。 此外,INA 输入端的 滤波器会对电流 测量中的瞬态 求平均值。 请注意,ADC 转换电流 不是恒定值, 而是一系列 经过取平均值的 瞬态电流。 针对放大器和 ADC 模拟通道 重复了该页 顶部的同一电路。 最后,请注意, 会在软件中 自动完成用于 将 ADC1220 测量 值转换为 功耗值的计算。 对于该实验, 我们将使用 高精度实验室 硬件上的通道 3。 首先,如此处 所示设置跳线。 使用 SMA 电缆将 PSI 连接到 Plabs 板, 然后使用通道 3 连接器 将 PHI 连接到 Plabs。 最后,将 USB 电缆 连接到计算机。 在该整个实验期间,我们 将测试不同的放大器。 务必小心地将 放大器正面朝上 安装,并使标签 位于样卡的底部。 现在,您可以将 放大器插座留空, 暂停,并连接硬件。 现在启动 Plabs 功耗调节软件。 如果硬件 连接正确, 您应该看到该绿色的 “Hardware Connected”指示器 并且 PSI 控件 应该呈青色。 暂停并启动您的软件。 在进行任何 功耗测量之前, 我们需要校准系统。 该校准将从 INA NADC 中消除偏移 误差,这样我们就能够 实现最佳的精度。 要执行该操作, 请按“Calibration”按钮。 执行该操作之后, 您将看到一个弹出 窗口,其中显示对于 该测试,应该如何放置跳线。 在本例中, 输入设置为 ACN,跳线全部 设置在 CAL 位置。 此外,请确保在 该测试期间 插槽中没有放大器。 在配置完硬件 之后,按“Continue”。 暂停并校准系统。 现在我们已准备好 开始测量功耗。 首先,我们将在 高采样率下测量 OPA320 和 ADC。 按 1 兆个样本/秒 按钮,开始测量。 此时将出现一个窗口, 其中显示如何设置 跳线并指出您 需要安装 OPA320 Goodfilter2 测试板。 执行这些硬件 更改,然后按“Continue”。 针对 50 万个 样本/秒采样率 执行同一过程。 暂停并执行 这些测量。 该幻灯片显示了 OPA320 的预期结果。 该表显示了 放大器、ADC 模拟电源和 ADC 数字 电源的测量电流和功耗。 在我们完成 所有测量之后, 我们要将其与 计算值进行比较。 现在,请注意, 功耗为几百 微瓦至几毫瓦。 该图显示了电流与 采样率之间的关系。 请注意, 放大器的 电流是恒定的, 不依赖于采样率。 另一方面, ADC 电流会 随采样率而变化。 最后,请注意该 测试会自动控制 多个不同的参数。 例如,采样率、 样本数、PSI 控件 和所有计算 在该软件中 自动完成。 现在,让我们更改 放大器并针对 10 万个样本/秒 采样率测量功耗。 按 10 万个样本/秒 按钮,开始测量。 此时将出现一个窗口, 其中显示如何设置 跳线并指出您 需要安装 TLV313 低功耗测试板。 执行这些硬件 更改,然后按“Continue”。 暂停并执行 这些测量。 让我们继续以 1 万个采样率/秒的 采样率测量 TLV313。 按 1 万个 样本/秒按钮。 此时将出现一个窗口, 其中显示如何设置 跳线并指出您 需要安装 TLV313 低功耗测试板 并更改跳线。 现在,放大器跳线 处于高位置, 但 ADC 模拟和 数字电流跳线 处于低位置。 执行这些硬件 更改,然后按“Continue”。 暂停并执行 这些测量。 该幻灯片显示了 TLV313 和 OPA320 的 预期结果。 请注意,电流为 几十至几百微安。 该图显示了电流与 采样率之间的关系。 请注意, TLV313 的电流 明显低于 OPA320。 再说一次,请注意, 放大器电流不 依赖于采样率。 在高采样率下 使用了 OPA320, 因为它具有 20 兆赫兹的宽带宽, 因此它可以实现 良好的稳定精度。 TLV313 具有 1 兆赫兹的带宽, 因此它可以在低 采样率下实现 良好的稳定精度。 最后,请注意,ADC 电流相对于采样率 以线性方式变化。 最后,让我们更改 放大器并针对 1 千个样本/秒和 200 个样本/秒的 采样率测量功耗。 按 1 千个样本/秒 按钮,开始测量。 此时将出现一个窗口, 其中显示如何设置 跳线并指出您 需要安装 LPV811 低功耗测试板。 请注意,跳线 都处于低位置, 以测量低电流。 执行这些硬件 更改,然后按“Continue”。 针对 20 万个 样本/秒采样率 执行同一过程。 暂停并执行 这些测量。 现在我们已经 完成了所有实验。 在低采样率下, 功耗级别为 几百纳瓦 至几微瓦。 这是最大 分辨率的 几千分之一。 您可以清楚地看到 ADC 的 电流变化与采样率之间的 线性关系。 此外,您还可以 清楚地看到,对于 每个不同的放大器, 电流是恒定的。 将测量的放大器 电流与数据表 进行比较,可以显示 电流是预期的放大器 静态电流。 要将测量结果与 计算结果进行比较, 您应该将数据 导出到 Excel 中。 要执行该操作,请在 GUI 中突出显示功耗 单元格并右键单击。 选择“Export Data to Excel”。 此时将弹出一个 包含测量数据的 Excel 电子表格。 现在,我们可以将其粘贴到 我们的表中进行比较。 暂停并将数据 导出到 Excel 中。 该表将计算 结果与测量 结果进行比较。 在这里粘贴 示例测量值。 务必注意,计算 结果使用产品 说明书最大值。 因此您应该预计 计算结果大于 测量值。 快速查看数据,可以 看到测量值小于 测量的最大值, 这符合预期。 不过,您可以看到, 计算结果和仿真 结果处于相同的 范围,测量趋势与 计算趋势相匹配。 另请注意, 放大器电流 仅依赖于放大器类型, 而不依赖于采样率。 最后,请注意 更改采样率 对总功耗的 重大影响。 在最大采样率下, 总功耗是 7,746 微瓦。 在 200 个样本/秒的 采样率下,功耗是 2 微瓦。 现在,我们可以 将测量结果 粘贴到表中。 您应该确认您的 结果与手动计算 具有相同的范围。 暂停并将您的 结果粘贴到表中。 动手实验 到此结束。 我希望这对您有所帮助。 276

大家好,欢迎观看 TI 高精度实验室

动手实验,其中 介绍 ADC 功耗调节。

在该实验中,我们 将使用手动计算

来预测采用不同放大器 和不同采样率时的 ADC

系统功耗。

然后,我们将 测量系统功耗

并将其与手动 计算进行比较。

在前一个高精度实验室 视频中,我们详细介绍了

针对不同的 放大器和

不同的采样率计算 功耗所需执行的步骤。

对于该实验,我们 将快速回顾和总结

该过程。

我们将使用手动 计算来确定六种

不同配置的功耗。

我们将简短地 介绍测量电路的

工作原理。

最后,我们将测量 这些电路的功耗

并将其与计算的 结果进行比较。

对于该实验, 我们将测量

三种不同的放大器。

请记住, 静态电流

与放大器的 带宽成反比。

此外,需要使用 带宽放大器来

实现高采样率。

首先,我们将针对 1 兆个样本/秒和

50 万个样本/秒的 采样率使用

OPA320。

该放大器具有 20 兆赫兹的带宽

和 1.75 毫安的 最大静态电流。

接下来,我们将 针对 10 万个样本/秒

和 1 万个样本/秒的 采样率使用 OPA313。

该放大器具有 1 兆赫兹的带宽

和 90 微安的 最大静态电流。

最后,我们将针对 1 千个样本/秒和

200 个样本/秒的 采样率使用 LPV811。

该放大器具有 8 千赫兹的带宽

和 540 纳安的 最大静态电流。

在下一张幻灯片中, 我们将使用该信息

来计算系统功耗。

该表显示了 我们将测量的

所有不同测试 配置的计算

最大功耗。

显示的示例计算 适用于 OPA320 50 万

个样本/秒采样率的情况。

有关功耗调节的高精度 实验室讲座中详细介绍了

这些计算。

我们回顾一下该计算。

首先,我们计算 表示为 PDVDD 的

数字通信功耗。

通过 C 乘以 V 乘以 N 位乘以

fs 来计算数字 电流,其中 C 是

数字输出线路 电容,V 是数字

信号电平,位数 是 ADC 的位数,

fs 是采样率。

该公式实际上 是电荷乘以数字

输出线路上的 每秒最大转换

次数。

将该电流乘以 VDVDD 可转换为功耗。

在本例中,电源 电压是 3.3 伏。

数字输出总线 电容是 10 皮法。

位数是 12。

采样率是 50 万个样本/秒。

数字功耗 等于 653.4 微瓦。

PAVDD 是 ADC 的 模拟功耗。

可以通过将 AVDD 电源电压乘以电流

来计算该功耗。

可以使用产品 说明书中的信息

和采样率来计算电流。

数据表提供了 在 1 兆个样本/秒的

采样率下测量的电流。

这可以通过采样率 与 1 兆个样本/秒之比

进行调节。

插入数值,您可以 看到模拟 ADC 功耗

是 345 微瓦。

最后,让我们来 计算放大器功耗。

可以通过将 放大器电源

电压乘以静态 电流来计算

放大器功耗。

请注意,放大器 功耗不依赖于

采样率。

在该示例中,4.5 伏 乘以 1.75 毫安

可得到 7.875 毫瓦的功耗。

针对每个放大器和 采样率重复执行了

这些计算。

稍后,我们要将 这些计算与

测量值进行比较。

该幻灯片展示了 EVM 如何测量电流。

该页的顶部用 红圈圈起来的

电流表用于 测量流入模拟、

数字和放大器 电源的电流。

分流电阻器将电源 电流转换为电压。

请注意,可以针对不同的 电流范围使用跳线来

选择分流器。

另请注意,校准 位置将 INA 输入

短路,从而 能够测量

系统偏移。

在所示的示例中, 197 微安的数字

电源电流流过 20 欧姆的分流

电阻器,从而产生 3.94 毫伏的输入电压。

823 的 INA 增益将 其增加为 3.343 伏。

然后衰减器根据 ADS1220 输入要求

对该值进行调节。

使用了 ADS1220 Δ-Σ 转换器,

因为它会自动对 输入信号求平均值。

此外,INA 输入端的 滤波器会对电流

测量中的瞬态 求平均值。

请注意,ADC 转换电流

不是恒定值, 而是一系列

经过取平均值的 瞬态电流。

针对放大器和 ADC 模拟通道

重复了该页 顶部的同一电路。

最后,请注意, 会在软件中

自动完成用于 将 ADC1220 测量

值转换为 功耗值的计算。

对于该实验, 我们将使用

高精度实验室 硬件上的通道 3。

首先,如此处 所示设置跳线。

使用 SMA 电缆将 PSI 连接到 Plabs 板,

然后使用通道 3 连接器 将 PHI 连接到 Plabs。

最后,将 USB 电缆 连接到计算机。

在该整个实验期间,我们 将测试不同的放大器。

务必小心地将 放大器正面朝上

安装,并使标签 位于样卡的底部。

现在,您可以将 放大器插座留空,

暂停,并连接硬件。

现在启动 Plabs 功耗调节软件。

如果硬件 连接正确,

您应该看到该绿色的 “Hardware Connected”指示器

并且 PSI 控件 应该呈青色。

暂停并启动您的软件。

在进行任何 功耗测量之前,

我们需要校准系统。

该校准将从 INA NADC 中消除偏移

误差,这样我们就能够 实现最佳的精度。

要执行该操作, 请按“Calibration”按钮。

执行该操作之后, 您将看到一个弹出

窗口,其中显示对于 该测试,应该如何放置跳线。

在本例中, 输入设置为

ACN,跳线全部 设置在 CAL 位置。

此外,请确保在 该测试期间

插槽中没有放大器。

在配置完硬件 之后,按“Continue”。

暂停并校准系统。

现在我们已准备好 开始测量功耗。

首先,我们将在 高采样率下测量

OPA320 和 ADC。

按 1 兆个样本/秒 按钮,开始测量。

此时将出现一个窗口, 其中显示如何设置

跳线并指出您 需要安装 OPA320

Goodfilter2 测试板。

执行这些硬件 更改,然后按“Continue”。

针对 50 万个 样本/秒采样率

执行同一过程。

暂停并执行 这些测量。

该幻灯片显示了 OPA320 的预期结果。

该表显示了 放大器、ADC

模拟电源和 ADC 数字 电源的测量电流和功耗。

在我们完成 所有测量之后,

我们要将其与 计算值进行比较。

现在,请注意, 功耗为几百

微瓦至几毫瓦。

该图显示了电流与 采样率之间的关系。

请注意, 放大器的

电流是恒定的, 不依赖于采样率。

另一方面, ADC 电流会

随采样率而变化。

最后,请注意该 测试会自动控制

多个不同的参数。

例如,采样率、 样本数、PSI 控件

和所有计算 在该软件中

自动完成。

现在,让我们更改 放大器并针对

10 万个样本/秒 采样率测量功耗。

按 10 万个样本/秒 按钮,开始测量。

此时将出现一个窗口, 其中显示如何设置

跳线并指出您 需要安装 TLV313

低功耗测试板。

执行这些硬件 更改,然后按“Continue”。

暂停并执行 这些测量。

让我们继续以 1 万个采样率/秒的

采样率测量 TLV313。

按 1 万个 样本/秒按钮。

此时将出现一个窗口, 其中显示如何设置

跳线并指出您 需要安装 TLV313

低功耗测试板 并更改跳线。

现在,放大器跳线 处于高位置,

但 ADC 模拟和 数字电流跳线

处于低位置。

执行这些硬件 更改,然后按“Continue”。

暂停并执行 这些测量。

该幻灯片显示了 TLV313 和 OPA320 的

预期结果。

请注意,电流为 几十至几百微安。

该图显示了电流与 采样率之间的关系。

请注意, TLV313 的电流

明显低于 OPA320。

再说一次,请注意, 放大器电流不

依赖于采样率。

在高采样率下 使用了 OPA320,

因为它具有 20 兆赫兹的宽带宽,

因此它可以实现 良好的稳定精度。

TLV313 具有 1 兆赫兹的带宽,

因此它可以在低 采样率下实现

良好的稳定精度。

最后,请注意,ADC 电流相对于采样率

以线性方式变化。

最后,让我们更改 放大器并针对

1 千个样本/秒和 200 个样本/秒的

采样率测量功耗。

按 1 千个样本/秒 按钮,开始测量。

此时将出现一个窗口, 其中显示如何设置

跳线并指出您 需要安装 LPV811

低功耗测试板。

请注意,跳线 都处于低位置,

以测量低电流。

执行这些硬件 更改,然后按“Continue”。

针对 20 万个 样本/秒采样率

执行同一过程。

暂停并执行 这些测量。

现在我们已经 完成了所有实验。

在低采样率下, 功耗级别为

几百纳瓦 至几微瓦。

这是最大 分辨率的

几千分之一。

您可以清楚地看到 ADC 的 电流变化与采样率之间的

线性关系。

此外,您还可以 清楚地看到,对于

每个不同的放大器, 电流是恒定的。

将测量的放大器 电流与数据表

进行比较,可以显示 电流是预期的放大器

静态电流。

要将测量结果与 计算结果进行比较,

您应该将数据 导出到 Excel 中。

要执行该操作,请在 GUI 中突出显示功耗

单元格并右键单击。

选择“Export Data to Excel”。

此时将弹出一个 包含测量数据的

Excel 电子表格。

现在,我们可以将其粘贴到 我们的表中进行比较。

暂停并将数据 导出到 Excel 中。

该表将计算 结果与测量

结果进行比较。

在这里粘贴 示例测量值。

务必注意,计算 结果使用产品

说明书最大值。

因此您应该预计 计算结果大于

测量值。

快速查看数据,可以 看到测量值小于

测量的最大值, 这符合预期。

不过,您可以看到, 计算结果和仿真

结果处于相同的 范围,测量趋势与

计算趋势相匹配。

另请注意, 放大器电流

仅依赖于放大器类型, 而不依赖于采样率。

最后,请注意 更改采样率

对总功耗的 重大影响。

在最大采样率下, 总功耗是 7,746 微瓦。

在 200 个样本/秒的 采样率下,功耗是 2 微瓦。

现在,我们可以 将测量结果

粘贴到表中。

您应该确认您的 结果与手动计算

具有相同的范围。

暂停并将您的 结果粘贴到表中。

动手实验 到此结束。

我希望这对您有所帮助。 276

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7.2 动手实验 - 系统功率调节

所属课程:TI 高精度实验室 – ADC系列视频 发布时间:2019.05.23 视频集数:44 本节视频时长:00:13:54
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