高速８位ADCs MAX155/MAX156的原理及應用

關(guān)鍵詞：MAX155/MAX156；ADCs；跟蹤／保持

美國ＭＡＸＩＭ公司推出的高速、８位、多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ＡＤＣｓ）ＭＡＸ１５５和ＭＡＸ１５６分別有８個模擬輸入通道和４個模擬輸入通道，每個通道都帶有自己的跟蹤／保持電路，所有的跟蹤保持采樣可同時進行，因而可以減小各通道的采樣時間差異。每個通道的轉(zhuǎn)換時間為３．６μｓ，并能將結(jié)果存在內(nèi)部的８８ＲＡＭ中。在單電源＋５Ｖ供電時，ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６可工作于單極或雙極性、單端或差分等形式的轉(zhuǎn)換電路中。如果需要更寬的電壓范圍或正負雙極性轉(zhuǎn)換，芯片必須由５Ｖ供電。ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６的另一個特性是具有２．５Ｖ的內(nèi)部參考電壓和電源關(guān)斷功能，這樣就提供了一個完善的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖1

１　芯片介紹

１．１ 芯片引腳定義

ＭＡＸ１５５采用２８腳ＤＩＰ和寬ＳＯ兩種封裝，ＭＡＸ１５６則采用２４腳窄塑料ＤＩＰ和２８腳寬ＳＯ封裝，它們的引腳排列如圖１所示。

１．２ 特點參數(shù)

ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６的主要特點和工作參數(shù)如下?

●多輸入通道? 具有４個或８個同步跟蹤保持采樣輸入通道；

●輸入方式：具有單端、差分輸入以及單極性或雙極性輸入方式；

●內(nèi)部參考電壓：２．５Ｖ；

●配置方式：混合輸入配置；

●轉(zhuǎn)換時間：每通道３．６μｓ；

●線性誤差? １ＬＳＢ?最大?；

●參考輸入電壓：２．５Ｖ?典型?；

●參考輸出電壓：２．５Ｖ?典型?；

●直流輸入電阻：１０ＭΩ；

●外部時鐘頻率：０．５～５ＭＨｚ；

●電源供電方式?單５Ｖ或雙５Ｖ供電；

●工作溫度：０～＋７０℃。

２ 工作原理

２．１ 芯片結(jié)構(gòu)圖

ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６內(nèi)部包含一個３．６μｓ的逐次逼近ＡＤＣ和８／４個跟蹤保持輸入端。當轉(zhuǎn)換開始時?所有的模擬輸入端同時采樣?而且無論轉(zhuǎn)換是否被選擇，所有的通道都進行采樣。ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６既可進行單通道也可進行多通道轉(zhuǎn)換，且通道可以配置為混合輸入。它們的轉(zhuǎn)換結(jié)果被存入片內(nèi)ＲＡＭ中，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖２所示（以ＭＡＸ１５５為例，ＭＡＸ１５６類似）。

在ＷＲ端加一個脈沖即可啟動ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６的轉(zhuǎn)換。在ＷＲ的上升沿，ＭＵＸ配置寄存器數(shù)據(jù)；在ＷＲ的下降沿，所有的通道開始采樣。訪問轉(zhuǎn)換結(jié)果可用連續(xù)的ＲＤ脈沖讀出，并可自動從通道０開始順序訪問ＲＡＭ。每一個ＲＤ脈沖會使ＲＡＭ的地址計數(shù)器加１。在多通道轉(zhuǎn)換中，當ＷＲ變?yōu)榈蜁r，ＲＡＭ地址計數(shù)器復位到０。在裝載ＲＡＭ地址（Ａ０～Ａ２）的同時使Ｄ４／ＩＮＨ為１，可設置地址并禁止轉(zhuǎn)換，此時執(zhí)行一條讀操作可以讀出ＲＡＭ的任一地址。

２．２ 模式配置

ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６根據(jù)應用場合的不同要求?可以設置為兩種模式?輸入／輸出模式和硬連線模式。

(１) 輸入／輸出模式

當ＭＯＤＥ輸入端開路時，為輸入／輸出配置模式。在輸入／輸出配置模式中，ＭＵＸ配置寄存器用于決定轉(zhuǎn)換的類型。在ＷＲ的上升沿，寄存器被更新。在轉(zhuǎn)換開始后，ＢＵＳＹ端變低，轉(zhuǎn)換從選定的最低通道開始順序進行。當ＢＵＳＹ變高以后，轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲到ＲＡＭ中。在轉(zhuǎn)換結(jié)束后，微處理器可以用連續(xù)的ＲＤ脈沖訪問ＲＡＭ中的數(shù)據(jù)。第一次讀出的數(shù)據(jù)是最低通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果，后續(xù)的脈沖將順序讀出余下通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

(２) 硬連線模式

對于較簡單的應用場合，ＭＯＤＥ和ＶＳＳ端的連線可用來指定轉(zhuǎn)換的類型，在這種連線模式下，一般不使用配置寄存器，所以Ｄ０～Ｄ７端的輸入數(shù)據(jù)被忽略。以ＭＡＸ１５５為例，ＭＯＤＥ端連接到低電平時，在ＷＲ脈沖作用下，系統(tǒng)將啟動８通道的單端轉(zhuǎn)換；而當ＭＯＤＥ端連接到高電平時，在ＷＲ脈沖的作用下，系統(tǒng)將啟動４通道差分轉(zhuǎn)換。實際上?在Ｄ０～Ｄ７端出現(xiàn)的數(shù)據(jù)一般不會影響到配置寄存器。

３　電路比較

在實際測控和儀表應用中，經(jīng)常會遇到要求多路數(shù)據(jù)信號同時進行采集的情況。而以往的Ａ／Ｄ采樣轉(zhuǎn)換芯片，雖然可進行多路Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，但各個通道的采樣轉(zhuǎn)換是依次進行的，不能保證各通道的同時采樣轉(zhuǎn)換。這種方式下的解決辦法有兩種：一種是采用單路Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換芯片，并在外部另加采樣保持器，接著將各路輸入信號同時進行采樣保持，然后再采用多路選擇器逐次選擇各通路，最后再送入到單路Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換中去。另一種是采用多路Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換芯片，該方法只是在上述電路中省去了多路轉(zhuǎn)換器?這樣能保證各路信號的同時采樣，圖３所示是采用傳統(tǒng)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換芯片時的實現(xiàn)方式。

雖然圖３電路能保證各個通道的信號同時采樣，但是也存在一些缺點：

(１)使用這種方法時，每個信號通道必須外加一個采樣保持器，因而所用器件較多。

(２)電路控制比較復雜，實時性不強。

(３)大量器件在印制電路板上占用空間，既增加了布線的困難，又增加了制板的費用。

(４)系統(tǒng)所用的元器件較多，不利于進一步提高集成度，而且易受干擾。

因此，采用ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６實現(xiàn)多路信號的同時采樣是非常適合的。

此外，這種電路還有如下優(yōu)點：

(１)每個通道有自己的跟蹤／保持電路，所有的跟蹤／保持采樣可同時進行，而且元件數(shù)量比較少，從而使電路板占用的空間大大減少。

(２)ＡＤＣ轉(zhuǎn)換器每個通道轉(zhuǎn)換時間僅為３．６μｓ，因而實時性很強。

(３)可進行單極或雙極性、單端或差分等形式的轉(zhuǎn)換，應用范圍廣。

(４)根據(jù)應用場合的不同要求?可以設置輸入／輸出模式和硬連線模式，因而適應性較強。

(５)芯片Ｔ／Ｈ放大器的輸入阻抗很高，一般不需要輸入緩沖。

(６)能夠用軟件改變配置寄存器來適應信號的不同要求，而且設計簡單，控制容易。

(７)集成度高，電路不易受干擾。

４　應用實例

信號采集系統(tǒng)是工業(yè)對象檢測、控制的重要環(huán)節(jié)。只有正確地將現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集回來才能進行分析、處理。在工業(yè)對象仿真監(jiān)控裝置中，通常由現(xiàn)場傳感器獲得各類信號，經(jīng)預處理電路濾波并使其電壓值達到Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的電壓輸入范圍后，送入Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的采集通道。由于本系統(tǒng)不但要求采集現(xiàn)場參數(shù)，而且還包括隨機干擾和確定性干擾等擾動信號，所以對Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的多通道采樣的同時性要求很高，ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６Ａ正好滿足這種要求。

將ＭＡＸ１５６的ＭＯＤＥ端懸空、Ｖｓｓ接－５Ｖ可選擇正負雙極性轉(zhuǎn)換的輸入／輸出模式。ＡＴ８９Ｃ５２作為微處理器，主要用來控制ＭＡＸ１５６按實際需要進行單極或雙極性、單端或差分等各種形式的轉(zhuǎn)換，各引腳連接如圖４所示。圖中，四路采樣信號ＶＩＮ１～ＶＩＮ４經(jīng)過預處理后，經(jīng)限幅電路可分別輸入到ＭＡＸ１５６的四個模擬輸入端ＡＩＮ１～ＡＩＮ４。ＭＡＸ１５６的外部時鐘范圍為０．５～５ＭＨｚ，所以，電路中將單片機ＡＴ８９Ｃ５２的外部時鐘頻率１１．０５９ＭＨｚ，通過４位二進制計數(shù)器７４ＬＳ９３進行四分頻后，送入ＭＡＸ１５６的外部時鐘端。采樣轉(zhuǎn)換時，ＡＴ８９Ｃ５２給出一個ＷＲ脈沖，并在ＷＲ的下降沿開始轉(zhuǎn)換，此時ＡＤＣ的ＲＡＭ地址計數(shù)器復位到０，在轉(zhuǎn)換結(jié)束后，ＡＴ８９Ｃ５２通過連續(xù)ＲＤ的脈沖順序讀出ＲＡＭ中的數(shù)據(jù)。第一次讀出的是最低通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果，后續(xù)ＲＤ脈沖順序讀出余下通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

圖4

在使用ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６時，根據(jù)筆者的經(jīng)驗，應注意以下幾個問題：

（１）內(nèi)部的２．５ Ｖ基準源輸出端（ＲＥＦＯＵＴ）必須通過１個４．７μＦ的電解電容和１個０．１μＦ的瓷片電容旁路到模擬地，以保證器件的穩(wěn)定性。

（２）如果在ＲＥＦＩＮ端接入外部基準源，那么ＲＥ-ＦＯＵＴ必須接旁路電容，或者將ＲＥＦＯＵＴ端連接到ＶＤＤ，這樣可以防止振蕩輸出和在ＡＤＣ中產(chǎn)生轉(zhuǎn)換噪聲，這樣做的缺點是電源關(guān)斷模式中的電流會比給定值大２５０μＡ。

（３）為了減小耗盡電流?ＭＡＸ１５６內(nèi)部的參考電壓在電源關(guān)斷期間將被關(guān)閉。當恢復正常運行?ＰＤ＝０?時?需要約５ｍｓ的時間，以使參考電壓在轉(zhuǎn)換執(zhí)行前給其４．７μＦ旁路電容充電。如果采用一個外部參考電壓?并且在電源關(guān)斷期間一直保持?那么，在設置ＰＤ為０后的５０μｓ內(nèi)，轉(zhuǎn)換就能開始。

（４）ＶＤＤ應通過１個４．７ μＦ的電解電容和１個０．１μＦ的瓷片電容接到模擬地。如果輸入信號低于地電平，必須使用負電源，在這種情況下?ＶＳＳ應通過１個４．７μＦ的電解電容和１個０．１μＦ的瓷片電容接到模擬地，這樣可保持供電電壓的穩(wěn)定。

（５）內(nèi)部參考電壓需要４．７μＦ和０．１μＦ的電容來并聯(lián)旁路。如果用外部參考電壓?就需要在緊挨著芯片處通過一個４．７μＦ電容旁路ＲＥＦＩＮ到模擬地? 也就是說，ＲＥＦＯＵＴ必須保持旁路到模擬地或者接ＶＤＤ。

（６）由于ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６的Ｔ／Ｈ放大器的輸入阻抗很高，因此，通常不再需要輸入緩沖電路。而且ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６的所有Ｔ／Ｈ可同時采樣。為了得到最佳的轉(zhuǎn)換結(jié)果，模擬輸入不應高于ＶＤＤ＋５０ ｍＶ或低于ＶＳＳ－５０ｍＶ。

（７） 采集一個通道的輸入信號所需要的時間取決于通道輸入電容充電的速度。如果輸入信號的源阻抗很高，那么采集時間就比較長，在這種情況下，兩次轉(zhuǎn)換之間的間隔時間應長一些，采集時間一般不小于８００ｎｓ。其采集時間ｔＡＣＱ的計算公式如下?

ｔＡＣＱ＝８?ＲＳ＋ＲＩＮ?４ｐＦ（不小于８００ｎｓ）

其中，ＲＩＮ應選為１５ｋΩ，ＲＳ為輸入信號源電阻

轉(zhuǎn)換時間ｔＣＯＮＶ則可由下式?jīng)Q定：

ｔＣＯＮＶ＝?２９Ｎ?／ｆＣＬＫ

其中，Ｎ是轉(zhuǎn)換通道數(shù)，ｆＣＬＫ是外部時鐘。