AD7770和AD7779的诊断特性

2017-06-08 17:33:06来源: EEWORLD 关键字:数据转换  ADC

作者:ADI 公司 Lluis Beltran Gil和Miguel Usach

简介


AD7770和AD7779是8通道同步采样Σ-Δ型模数转换器(ADC)。每个通道都包括一个专用可编程增益放大器(PGA)级(提供1、2、4、8倍的增益)、一个完整Σ-Δ型ADC和一个低延迟sinc3数字滤波器。

在AD7770和AD7779的不同模块的模拟域和数字域中均实现了多种诊断和监控功能,例如基准电压模块、调制器或串行接口等(参见图1)。

AD7770和AD7779还内置一个12位逐次逼近型寄存器(SAR) ADC,其电源可以是独立的。该SAR ADC可以用于诊断和监控目的,这样就无需利用外部多路复用器信号调理,腾出一个专门用于系统测量功能的Σ-Δ型ADC通道。内部节点和外部电源也可加以监控,只需通过连接到SAR ADC的内部诊断多路复用器进行选择。

AD7770和AD7779可以利用串行外设接口(SPI)控制模式或引脚控制模式进行配置。在引脚控制模式下,器件在上电时根据施加于MODE0至MODE3引脚及FORMAT0、FORMAT1引脚的电压电平而配置为预定义状态。有关更多信息,参见AD7770和AD7779数据手册。

在引脚控制模式下无法访问器件上实现的许多诊断和监控功能。SPI控制模式与引脚控制模式不同,允许访问全部已实现的诊断和监控功能。因此,若要进行诊断和监控,建议在SPI控制模式下使用器件。

本应用笔记简要介绍这些特性、AD7770和AD7779检测到的错误,以及为诊断和解决这些错误而提供的不同选项。


     


图1.AD7770/AD7779框图(仅显示8个通道信号链中的一个)
 
诊断和监控特性


除了信号链、基准电压、共模、数字和电源模块以外,AD7770和AD7779还提供了一系列全面的错误检查器,用以保证器件正常工作。当一个错误检查器被触发时,


•    ALERT引脚置位。
•    Σ-Δ ADC报头的警报位置1。
•    状态寄存器中的CHIP_ERROR位置1(参见表2)。
•    存储器映射中的对应标志位置1。

ALERT引脚(引脚控制模式下为引脚18,SPI控制模式下为引脚16)通常仅在有错误存在时为高电平,当错误消失时便会复位;但SPI错误除外,ALERT引脚要等到下一次SPI处理才会复位。


     


图2.ADC输出8位报头加24位转换数据

Σ-Δ数据报头居于每一个数据帧之前,且包含一个警报位。警报位是最高有效位(MSB),其功能类似于ALERT引脚,提醒用户存在错误。此外,通过DOUT_HEADER_FORMAT位(寄存器0x015的位5),Σ-Δ循环冗余校验(CRC)报头(如图3所示,默认有效)可切换为错误报头(仅限SPI控制模式)。如果选择错误报头,则报头中的四个最低有效位(LSB)会提供重要错误的附加信息,例如:检测到复位、调制器或数字滤波器饱和、模拟输入超范围或欠范围,如图3所示。



图3.CRC和错误报头

当任一受监控模块触发错误时,存储器映射中的对应标志位就会置位;因此,引脚控制模式下无法检查错误来源,因为它不能访问存储器映射,而SPI控制模式则可以访问。

存储器映射中的这些错误位是粘滞位,也就是它们仅在错误寄存器被读取且错误源消失时复位。

为了简化错误源搜索,存储器映射包括三个寄存器:STATUS_REG_1、STATUS_REG_2和STATUS_REG_3。这些寄存器指向包含错误源的特定寄存器,如表2所示。

例如,若位于STATUS_REG_1(参见表2)中的ERR_LOC_CH4位置1,则说明CH4_ERR_REG寄存器(寄存器0x050)中的一个标志位被触发(依据表1)。

所有三个状态寄存器中的位5(CHIP_ERROR位)均指示是否有错误位置1。当错误不再存在且回读该寄存器时,此位清0。然而,位[4:0]要等到其指向的寄存器被读取且复位时才会清0。

表1.寄存器错误源



表2.AD7770和AD7779状态寄存器



主信号链


在信号链上,AD7770和AD7779包括用来监控输出、滤波器输出、调制器和模拟输入引脚的错误检查器。还能诊断PGA增益。



图4.每个通道的信号链

输出饱和


存储器映射(从寄存器0x01C到寄存器0x04B)中有与每个通道相关联的失调和增益调整寄存器用以校准器件,详见AD7770和AD7779数据手册中的说明。若在设置增益和失调配置时出错,可能导致输出在正满量程或负满量程处削波。例如,若通道6中的增益和失调寄存器编程不当,对应CH6_7_SAT_ERR寄存器的CH6_ERR_ OUTPUT_SAT位就会置位,如表3所示。

当该错误被触发时,可以通过读取最后一个转换数据来复查,验证输出是否确实在正满量程或负满量程(+FS或−FS)处削波。验证之后,检查削波的可能原因是否是失调或增益寄存器编程不当,尤其是如果之前未触发滤波器或调制器饱和检查器。然而,如果这些校准寄存器未被覆盖,此错误检查器也可能指示滤波器接近饱和,导致默认增益调整比例将输出放大到+FS或–FS以外。

触发此错误检查器的另一个可能原因是模拟输入超出+FS或–FS,这可以利用SAR ADC来诊断,详见“SAR ADC”部分;或者是PGA未正确调整模拟输入,这可以按照“PGA增益”部分所述来诊断。

滤波器饱和


若滤波器输出超于范围,就会触发滤波器饱和,表示输出码比正或负满量程高出大约20%。

当8个片内数字滤波器中的任意滤波器产生饱和错误时,位于对应CHx_SAT_ERR寄存器(寄存器0x054至寄存器0x057)中的对应CHx_ERR_FILTER_SAT位置位。例如,当通道6滤波器饱和时,CH6_7_SAT_ERR寄存器的位1置位,如表3所示。

滤波器饱和可通过读取Σ-Δ转换结果来验证。验证之后,建议通过ADC_MUX_CONFIG寄存器(寄存器0x015的位[7:6])将Σ-Δ基准电压源更改为AVDD引脚以支持更宽的输入范围,从而检查输入电压是否比预期要高,若是则说明ADC前端有错误。

如果滤波器输出超出界限,将会触发输出饱和。因此,检查输出饱和是否触发可表明调制器饱和检查器是否正常工作。

调制器饱和

如果8个Σ-Δ调制器中的任意调制器连续输出20个1或0,饱和检测器就会将对应CHx_SAT_ERR寄存器的对应CHx_ERR_ MOD_SAT位置位。例如,若通道6连续输出20个1或0,CH6_7_SAT_ERR寄存器的位2就会置1,如表3所示。仅当读取CHx_ERR_MOD_SAT寄存器且错误自动消失时,例如调制器重新输出非全0或全1的值时,此位才会清零。
调制器饱和表明它超出界限,复位调制器需要引脚发出一个脉冲。

调制器超出界限会导致滤波器饱和被触发。因此,检查滤波器饱和是否触发可表明调制器饱和检查器是否正常工作。

所有三种饱和检测器(即调制器、滤波器和输出饱和检测器)均默认使能,可通过CHX_ERR_REG_EN寄存器(寄存器0x058[7:5])禁用,如表3所示。

PGA增益


用户可以诊断PGA增益是否正确。通过ADC_MUX_CONFIG(寄存器0x015[5:2]),连接到Σ-Δ转换器输入的内部诊断复用器可以连接280 mV信号。这样便可独立验证每个增益级(1、2、4和8),方法是检查Σ-Δ转换数据经通道配置寄存器(寄存器0x000至寄存器0x007的位[7:6])设置的增益级放大后,是否对应于280 mV。

过压/欠压事件


AD7770和AD7779的每路模拟输入均包括一个比较器电路,当绝对输入电压超过AINx+或AINx–引脚的AVDD1x电平时(AINx+或AINx−引脚可以单独检查),对应CHx_ERR_REG寄存器(寄存器0x04C至寄存器0x053)的CHx_ERR_AINx_OV位就会被触发。当输入电压回到低于AVDD1x的电平且回读该寄存器时,此位清零。在数据手册限值以外使用ADC会降低其线性度。例如,若通道6正模拟输入(AIN6+)超过AVDD1B电压,CH6_ERR_AINP_OV位(寄存器0x052的位1)就会置位。

同样,通过第二比较器,当输入电压低于AVSSx时,对应CHx_ERR_ AINx_UV位会置位,直到电平升到AVSSx以上且回读该寄存器时才清零。图5显示了各路模拟输入中实现的两个比较器(AINx+和AINx–中均有),它们用于监控和触发过压或欠压事件。如果错误长时间存在,可能会降低器件性能并影响其可靠性。由于比较器阈值容差,触发电平在供电轨的±30 mV范围内,即过压事件为AVDDx ±30 mV,欠压事件为AVSSx ±30 mV。


图5.各路模拟输入中的过压和欠压比较器

当这些错误被触发时,可利用SAR型转换器来诊断,将引起触发的模拟输入连接到AUXAIN+/AUXAIN−输入对。更多信息参见SAR ADC部分。

表3.CH6_7_SAT_ERR和CHx_ERR_REG_EN


基准电压模块

基准电压检测


AD7770和AD7779基准电压由片内比较器监控,如图6所示。当任意Σ-Δ通道的基准电压降至0.7 V以下数微秒时,就会触发此比较器,受影响通道的对应CHx_ERR_REF_DET位,即该通道的错误寄存器(CHx_ERR_REG,寄存器0x04C至寄存器0x053)的位0会置1。此错误标志指示施加的基准电压不再是有效的转换基准电压。当发生这种情况时,此错误可能说明内部基准电压缓冲器有故障,或基准电压源有故障。



图6.基准电压检测电路

如果基准电压检测被触发,将利用SAR ADC选择SAR输入复用器上的REF+或REF−信号来诊断基准电压源,详见“SAR ADC”部分。或者可以选择ADC输入复用器上的基准电压源,通过任意Σ-Δ ADC测量基准电压(参见“Σ-Δ ADC复用器”部分)。
为此,选定的基准电压必须是AVDD1A/AVSS1A,使得输入范围可以更宽,支持2.5 V基准电压而不会使调制器饱和(参见表5)。

验证基准电压时,选择基准电压缓冲器的不同工作模式(BUFFER_CONFIG_1和BUFFER_CONFIG_2寄存器),以及/或者从三个可用源中的任意一个选择不同的基准电压(ADC_MUX_CONFIG寄存器,寄存器0x015的位[7:6]),具体选项分别总结在表4和表5中。

基准电压检测错误检查器默认禁用,通过CHX_ERR_REG_EN寄存器的REF_DET_TEST_EN位(寄存器0x058的位0)可使能。

共模

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关键字:数据转换  ADC

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/article_2017060826809.html
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