簡化電路設(shè)計的高通過率、高精度ADC-AD974

摘要：AD974是美國模擬器件公司生產(chǎn)的第一個200kSPS、4通道、16位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。具有高通過率、低功耗、高精度等特性，此外，該器件還集成了外圍器件，并采用串行通訊方式，因而可極大地簡化數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計，非常適合于體積小、信號復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)，如工業(yè)控制、醫(yī)療儀器等。本文介紹了AD974的特點，結(jié)構(gòu)及應(yīng)用設(shè)計。

AD974是一個四通道、16位串行通訊數(shù)據(jù)采集模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該器件內(nèi)含模擬輸入多路轉(zhuǎn)換器、高速16位采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器和+2.5V參考電壓。

1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳

AD974的內(nèi)部功能框圖如圖1所示。該芯片有28腳的DIP、SOIC和SSOP三種封裝形式。引腳分布如圖2所示。各引腳的功能說明見表1。

表1 AD974的主要引腳功能

2 AD974的特性

表2 通道選擇

AD974具有如下的特點：

●支持復(fù)雜的信號采集系統(tǒng)。具有四個單端的模擬輸入通道，能提供多種可設(shè)置的模擬輸入范圍，包括0V～4V、0V～5V或-10V～+10V；

●采用串行接口。與大多數(shù)微處理器的串行接口兼容，具有數(shù)據(jù)傳送效率高、數(shù)據(jù)連線少的特點；

●能保證常規(guī)的直流參數(shù)，如偏移、增益和線性等；同時也明確給定了SNR（信噪比）和THD（總諧波失真）等交流參數(shù)；

●采用模擬器件公司先進的雙CMOS（BiCMOS）工藝制造，該工藝能將高性能雙極性器件與CMOS晶體管結(jié)合起來；

●可簡化電路的設(shè)計，AD974由單電源+5V供電，并且只需較少的外圍電路。為了達到簡化電路設(shè)計的目的，AD974內(nèi)部還集成了模擬輸入多路轉(zhuǎn)換器、高速逐次逼近開關(guān)電容ADC、時鐘電路和內(nèi)部2.5V參考電壓電路等（參考電壓也可以由外部參考電路供應(yīng)）；

●高通過率、低功耗。AD974可提供200kSPS的高通過率，而功率耗散最大卻只有120mW，因此其轉(zhuǎn)換速率可以高達2kSPS/mW。此外，在掉電模式下，AD974的功耗僅為50μW（典型值）。

3 應(yīng)用設(shè)計

3.1 模擬輸入

AD974可以工作在三種不同的滿量程模擬輸入范圍，圖3中的（a）、（b）、（c）分別給出的-10V～+10V、0V～5V和0V～4V時模擬輸入與VXA、VXB之間的連接方式及額定輸入阻抗。AD974具有兩個模擬地（AGND1、AGND2）。而模擬輸入是以AGND1引腳為參考的。

使用具有一定阻抗的模擬輸入電路時，AD974可以由各種模擬放大器驅(qū)動。但為減小失真，非常有必要仔細選擇驅(qū)動電路的運放。圖4為AD974片內(nèi)簡化了模擬輸入電路。

3.2 轉(zhuǎn)換控制

AD974的模數(shù)轉(zhuǎn)換由R/C、CS兩信號來控制。在R/C降為低電平時，若CS也為低電平，在至嫠經(jīng)過50ns后，輸入信號將被保留在內(nèi)部的電容陣列上并準備開始轉(zhuǎn)換。一旦轉(zhuǎn)換開始，BUSY信號將變?yōu)榈碗娖街钡睫D(zhuǎn)換完畢。圖5給出了基本的轉(zhuǎn)換時序圖。在內(nèi)部，信號R/C和CS需進行或操作，但是對啊一信信號先變?yōu)榈碗娖阶鰹殚_始轉(zhuǎn)換的標志并沒有嚴格要求。唯一的要求是這兩個信號變?yōu)榈碗娖降臅r間延遲不得少于10ns。轉(zhuǎn)換完畢后，BUSY信號返回高電平，另一方面，AD974準備下一次轉(zhuǎn)換以確保能繼續(xù)跟蹤輸入信號。在某些情況下，將CS引腳保持低電平，而將R/C用于決定是開始轉(zhuǎn)換還是讀取數(shù)據(jù)。需要指出的是，在AD974上電后進行首次轉(zhuǎn)換時，其DATA輸出將是不確定的，轉(zhuǎn)換輸出需要經(jīng)過一定時間之后才能穩(wěn)定下來。模數(shù)轉(zhuǎn)換可以使用由AD974的內(nèi)部時鐘，也可以使用外部時鐘，這并不影響轉(zhuǎn)換結(jié)果的連續(xù)性。如果EXT/INT為低電平，則AD974被設(shè)置為內(nèi)部數(shù)據(jù)移位時鐘模式；相反，如果EXT/INT為高電平，則AD974被設(shè)置為外部數(shù)據(jù)移位時鐘模式。

4 應(yīng)用舉例

利用AD974與微處理器的接口電路可以很方便地測量傳統(tǒng)的直流信號，如果與數(shù)字信號處理器接口，則更適合于交流信號的處理。AD974了容易與絕大多數(shù)微處理器的串行或I/O端口連接。適當(dāng)使用外部緩沖可以避免數(shù)字噪聲進行模數(shù)轉(zhuǎn)換器中。

4.1 與SPI的接口

圖6是AD974與帶串行外圍接口（SPI）的微控制器的接品電路框圖。該接口電路采用外部時鐘模式（EXT/INT=1），轉(zhuǎn)換脈沖來自于微控制器，AD974在該系統(tǒng)中做為從設(shè)備。轉(zhuǎn)換脈沖的初始化可以通過響應(yīng)內(nèi)部時鐘中斷而進行。輸出數(shù)據(jù)的讀取可以根據(jù)轉(zhuǎn)換信號的結(jié)束標志（變?yōu)楦唠娖剑﹣沓跏蓟?/P>

4.2 與ADSP2181的接口電路

圖7是AD974與ADSP2181數(shù)字信號處理器的接口電路框圖。在該數(shù)字采集信號系統(tǒng)中，AD974采用內(nèi)部時鐘模式（EXT/INT=0），轉(zhuǎn)換命令由外部振蕩器提供。對于ADSP2181，SPORT可以看作非連續(xù)時鐘，為了使SPORT時鐘與外部非連續(xù)時鐘保持同步，在數(shù)據(jù)讀取操作的準備階段必須采取以下步驟：

（1）通過系統(tǒng)控制寄存器，啟用SPORT0；

（2）將SCLK分頻寄存器置0；

（3）通過將PFTYTE中與PF0和PF1的對應(yīng)位分別置0和1而將PF0和PF1設(shè)置為輸出端口；

（4）通過PF0將RFS0置為低電平。然后通過程序把接收幀同步脈沖設(shè)置為高電平有效；

（5）通過PF1將CS置為低電閏，啟動AD974進行轉(zhuǎn)換；

（6）通過IMASK寄存器啟用SPORT0接收中斷；

（7）等待至少一個以上的轉(zhuǎn)換周期，忽略被接收的數(shù)據(jù)；

（8）通過PF1將CS置為高電平，禁止AD974進行轉(zhuǎn)換；

（9）等待大約一個轉(zhuǎn)換周期；

（10）通過PF0將RFS0置為高電平；

（11）通過PF1將CS置為低電平，啟動AD974進行轉(zhuǎn)換。

這樣，在隨后的轉(zhuǎn)換過程中，ADSP2181的SPORT0就會與外部非連續(xù)時鐘保持同步。

5 結(jié)束語

AD974是一款新穎的高精度、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它在設(shè)計上的許多特性可為用戶的使用帶來極大便利。AD974適合于大多數(shù)數(shù)字信號采集系統(tǒng)。隨著該產(chǎn)品的推廣，相信它在工業(yè)控制、醫(yī)療儀器等方面的應(yīng)用交更加普遍。