簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)的高通過(guò)率、高精度ADC-AD974

摘要：AD974是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的第一個(gè)200kSPS、4通道、16位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。具有高通過(guò)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(jiǎn)化數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)，非常適合于體積小、信號(hào)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(diǎn)，結(jié)構(gòu)及應(yīng)用設(shè)計(jì)。

AD974是一個(gè)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(shuō)明見(jiàn)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(diǎn)：

●支持復(fù)雜的信號(hào)采集系統(tǒng)。具有四個(gè)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(diǎn)；

●能保證常規(guī)的直流參數(shù)，如偏移、增益和線性等；同時(shí)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(jìn)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(lái)；

●可簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)，AD974由單電源+5V供電，并且只需較少的外圍電路。為了達(dá)到簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)電容ADC、時(shí)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(guò)率、低功耗。AD974可提供200kSPS的高通過(guò)率，而功率耗散最大卻只有120mW，因此其轉(zhuǎn)換速率可以高達(dá)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(jì)

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(shí)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(gè)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(shí)，AD974可以由各種模擬放大器驅(qū)動(dòng)。但為減小失真，非常有必要仔細(xì)選擇驅(qū)動(dòng)電路的運(yùn)放。圖4為AD974片內(nèi)簡(jiǎn)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(hào)來(lái)控制。在R/C降為低電平時(shí)，若CS也為低電平，在至嫠經(jīng)過(guò)50ns后，輸入信號(hào)將被保留在內(nèi)部的電容陣列上并準(zhǔn)備開(kāi)始轉(zhuǎn)換。一旦轉(zhuǎn)換開(kāi)始，BUSY信號(hào)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(shí)序圖。在內(nèi)部，信號(hào)R/C和CS需進(jìn)行或操作，但是對(duì)啊一信信號(hào)先變?yōu)榈碗娖阶鰹殚_(kāi)始轉(zhuǎn)換的標(biāo)志并沒(méi)有嚴(yán)格要求。唯一的要求是這兩個(gè)信號(hào)變?yōu)榈碗娖降臅r(shí)間延遲不得少于10ns。轉(zhuǎn)換完畢后，BUSY信號(hào)返回高電平，另一方面，AD974準(zhǔn)備下一次轉(zhuǎn)換以確保能繼續(xù)跟蹤輸入信號(hào)。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(kāi)始轉(zhuǎn)換還是讀取數(shù)據(jù)。需要指出的是，在AD974上電后進(jìn)行首次轉(zhuǎn)換時(shí)，其DATA輸出將是不確定的，轉(zhuǎn)換輸出需要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間之后才能穩(wěn)定下來(lái)。模數(shù)轉(zhuǎn)換可以使用由AD974的內(nèi)部時(shí)鐘，也可以使用外部時(shí)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(shí)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(shí)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(cè)量傳統(tǒng)的直流信號(hào)，如果與數(shù)字信號(hào)處理器接口，則更適合于交流信號(hào)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(jìn)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(shí)鐘模式（EXT/INT=1），轉(zhuǎn)換脈沖來(lái)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(guò)響應(yīng)內(nèi)部時(shí)鐘中斷而進(jìn)行。輸出數(shù)據(jù)的讀取可以根據(jù)轉(zhuǎn)換信號(hào)的結(jié)束標(biāo)志（變?yōu)楦唠娖剑﹣?lái)初始化。

4.2 與ADSP2181的接口電路

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

（1）通過(guò)系統(tǒng)控制寄存器，啟用SPORT0；

（2）將SCLK分頻寄存器置0；

（3）通過(guò)將PFTYTE中與PF0和PF1的對(duì)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(guò)PF0將RFS0置為低電平。然后通過(guò)程序把接收幀同步脈沖設(shè)置為高電平有效；

（5）通過(guò)PF1將CS置為低電閏，啟動(dòng)AD974進(jìn)行轉(zhuǎn)換；

（6）通過(guò)IMASK寄存器啟用SPORT0接收中斷；

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

（8）通過(guò)PF1將CS置為高電平，禁止AD974進(jìn)行轉(zhuǎn)換；

（9）等待大約一個(gè)轉(zhuǎn)換周期；

（10）通過(guò)PF0將RFS0置為高電平；

（11）通過(guò)PF1將CS置為低電平，啟動(dòng)AD974進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

這樣，在隨后的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，ADSP2181的SPORT0就會(huì)與外部非連續(xù)時(shí)鐘保持同步。

5 結(jié)束語(yǔ)

AD974是一款新穎的高精度、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它在設(shè)計(jì)上的許多特性可為用戶的使用帶來(lái)極大便利。AD974適合于大多數(shù)數(shù)字信號(hào)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。