AD7656型模/数转换器在信号采集系统中的应用

2006-09-22 14:26:10来源: 国外电子元器件

1 引言
  美国模拟器件公司(ADI)发布了一种创新的半导体制造工艺,这种工艺技术是将高电压半导体工艺与亚微米CMOS和互补双极型工艺相结合,并将该工艺命名为iCMOS(工业CMOS)。使诸如工厂自动化和过程控制等高电压应用在性能、设计和节省成本方面均得到极大提升。iCMOS能把更多的信号链路功能集成在一个尺寸比以前小很多的芯片内,并且不牺牲性能,将数字逻辑电路与高速模拟电路集成在一起,并且采用前所未有的小尺寸封装,提供更高的性能和更低的功耗。AD7656就是采用iC-MOS工艺制造的,是高集成度、6通道16-bit逐次逼近(SAR)型ADC,内含1个2.5V基准电压源和基准缓冲器。该器件的功耗比最接近的同类双极型ADC降低了60%。AD7656在每通道250kS/s采样速率下的精度(±4LSB最大值积分线性误差)是同类产品的2倍。基于iCOMS技术制造的ADC可以满足工业领域对高分辨率、多通道、高转换速率和低功耗的要求。

2 AD7656的特性及引脚功能
2.1 AD7656的特性
  图1示出AD7656的功能框图。AD7656的主要特性如下:


  ●6通道16-bit逐次逼近型ADC;
  ●最大吞吐率为250kS/s;
  ●AVcc范围为4.75V-5.25V;
  ●低功耗:在供电电压为5V、采样速率为250kS/s时的功耗为160mW;
  ●宽带宽输入:输入频率为50kHz时的信噪比(SNR)为85dB;
  ●片上有2.5V基准电压源和基准缓冲器;
  ●有并行和串行接口
  ●与SPI/QSPI/μWire/DSP兼容的高速串行接口;
  ●可通过引脚或软件方式设定输入电压范围(±10V,±5V);
  ●采用iCMOS工艺技术;
  ●64引脚QFP。

2.2 AD7656的引脚功能
  REFCAPA、REFCAPB、REFCAPC是参考电压引脚,这几个引脚应该接去耦电容器来减小每1个ADC通道参考缓冲器的衰减。
  V1一V6是模拟输入1-6引脚,它们是模拟前端输入,对应通道的输入范围取决于RANGE引脚的定义。
  AGND是模拟地,所有的模拟输入信号和外部参考信号都要用AGND。
  DVcc是5V数字电源端。
  VDRIVE是逻辑电源输入,该引脚的电压取决于内部参考电压,应接10μF或100μF的去耦电容器。
  DGND是数字地,它是数字电路的参考点。
  AVcc是模拟电压输入(4.5V-5.5V),它只给ADC的内核供电。
  CONVSTA/B/C是转换使能逻辑输入,每对有其相关的CONVST信号,用来启动每对或每4个或6个ADC同步采样。
  CS是片选信号,逻辑低电平时使能。
  RD是读信号,逻辑低电平时使能。
  WR/PEFEN/DIS是写数据/参考使能/非使能。
  BUSY是忙信号输出,当转换开始时为高电平,并且在转换结束前一直为高电平。
  SER/PAR是串行/并行选择输入信号。低电平时选择并行接口模式,高电平时选择串行接口模式。
  DB[0]/SEL A是数据0位/选择输出A路。
  DB[1]/SEL B是数据1位/选择输出B路。
  DB[2]/SEL C是数据2位/选择输出C路。
  DB[3]/DCIN C是数据3位,C路为菊花链式。
  DB[4]DCIN B是数据4位/B路为菊花链式。
  DB[5]/DCIN A是数据5位/A路为菊花链式。
  DB[6]/SCLK是数据6位/串行时钟。
  DB[7]/HBEN/DCEN是数据7位/高位使能/菊花链式使能。
  DB[8]DOUTA是数据8位/串行数据输出A。
  DB[9]/DOUTB是数据9位/串行数据输出B。
  DB[10]/DOUTC是数据10位/串行数据输出C。
  DB[11]/DGND是数据11位/数字地。
  DB[12]、DB[13]、DB[15]是数据12位、数据13位、数据15位。
  DB [14]/REFBUFEN/DIS是数据14位/参考缓冲使能(低电平时)/非使能(高电平时)。
  RESET是复位信号输入。
  RANGE是模拟输入范围选择输入信号。
  VDO是正电源端。
  Vss是负电源端。
  H/S SEL是硬件/软件选择输入引脚。
  W/B是字或字节模式选择。

3 AD7656的工作原理及系统构成
3.1AD7656的工作原理
  
AD7656是逐次逼近型转换器,包括1个比较器、1个模/数转换器、1个逐次逼近寄存器(SAR)和1个逻辑控制单元。转换中的逐次逼近是按对分原理由控制逻辑电路完成。其大致过程如下:启动转换后,控制逻辑电路首先把逐次逼近寄存器的最高位置1,其他置0,逐次逼近寄存器的这个内容经过模/数转换后得到约为满量程输出一半的电压值。这个电压值在比较器中与输入信号进行比较。比较器的输出反馈到模/数转换器,并在下一次比较前对其进行修正。在逻辑控制电路的时钟驱动下,逐次逼近寄存器不断进行比较和移位操作,直到完成最低有效位(LSB)的转换。这时逐次逼近寄存器的各位值均已确定,逐次逼近转换完成。

  由于逐次逼近型模/数转换器在1个时钟周期内只能完成1位转换,N位转换需要N个时钟周期,故这种模/数转换器的采样速率不高,输入带宽也较小。它的优点是原理简单,便于实现,不存在延迟问题.适用于中速率和分辨率较高的应用场合。

  AD7656包含1个低噪声、宽带跟踪保持放大器来处理输入频率高达8MHz的信号,还具有高速并行和串行接口,从而允许该器件与微处理器(MPU)或数字信号处理器(DSP)连接。在串行接口方式下,AD7656能提供菊花链功能,把多个ADC连接到1个串行接口上。它可以接收双极性输入信号,RANGE引脚和RNG位为下次在±4xVREF-±2xVREF之间转换选择输入范围。当3个CONVST引脚连接到一起时,允许6个片上ADC同时采样,6个ADC可以被分成3对,每对有1个相关的CONVST信号,用来启动每对或每4个或是全部6个ADC同步采样,CONVSTA用来启动V1和V2的同步采样,CONVSTB对应的是V3和V4,CONVSTC对应的是V5和V6。

  跟踪保持放大器可以保证模/数转换器精确地转换满量程输入的正弦波信号,可以保证分辨率为16bit。跟踪保持放大器的输入带宽比工作在最大吞吐率情况下的ADC的奈奎斯特速率还要大。AD7656可以处理频率为8MHz的输入信号。跟踪保持放大器在CONVSTx的上升沿同步采样各自的输入信号。跟踪保持的典型时间为20ns,这可以使6个ADC同步采样。

  AD7656有2种工作模式:串行接口模式和高速的并行接口模式。本文主要介绍并行接口模式。并行接口模式以1个字的形式来操作(W/B=0),也可采用字节的形式(W/B=1)。从并行总线上读数据时,信号SER/PAR应被置低电平。当CS和RD均为低电平时,数据线DBO-DB15将不再是高阻状态。CS信号可以被永久地置低电平,RD用来访问转换的结果。BUSY信号为低电平时开始读操作。

  AD7656有1个用来执行转换的片上振荡器,转换时间tCONVER为3μS。转换的开始是通过脉冲调制CONVSTx信号开始的,在CONVSTx的上升沿,被选中的ADC的跟踪保持电路会被置为保持模式,转换开始。在CONVSTx信号的上升沿后,BUSY信号会变化,这表示转换正在进行。转换时钟是由内部产生的,转换时间是从CONVSTx信号上升沿开始的3μS,BUSY信号会变为低电平,表示转换结束。在BUSY信号的下降沿,跟踪保持电路将回到跟踪模式。数据通过并行或串行接口从输出寄存器中被读出。图2示出AD7656并行接口字模式下的读操作数据流。

  如果只有8bit总线被使用,那么AD7656的接口将以字节模式(W/B=I)操作,这种操作下的转换结果将通过2次读操作来访问,每次读操作通过DB15-DB8来访问1个8bit的数据,如图3所示。其中,tCONV为转换时间3μS,内部时钟tQUIET为总线的废弃时间到下1个转换开始之间所必需的最小等待时间,最小值为400ns;t1为读操作时的最小时间20ns;t2为BUSY信号到RD信号之间的延迟时间(ns);t3为CS到RD之间的建立时间(ns);t4为CS到RD之间的保持时间(ns);t5为RD的脉冲宽度,最小值为30ns;t6为RD下降沿后的数据访问时间,最大值为30ns;t7为RD上升沿之后的总线废弃时间,最小值为15ns,最大值为25ns。

3.2系统组成
  图4所示是AD7656在并行接口状态下的外围电路连接。其中的DVcc和AVcc分别是数字电压端和模拟电压端,它们在接入前要经过1个去耦电路,如图4所示,每个供电电压输入引脚都要连接1个去耦电路,该电路由1只10μF和1只100nF的电容器组成。VDD、Vss和VDRIVE同样要连接去耦电路。

  AD7656的输出接到FPGA中进行数字信号的滤波处理,然后再送入数字信号处理器(DSP)进行处理。用FPGA控制引脚CONVSTA/B/C、RD和CS的状态,可以用编程的方法或硬件连接的方式来实现。系统中的FPGA是ALTERA公司的EP1K30,DSP选用ADI公司的TS101S。此系统的外围电路比较简单,比较容易实现,具有真正的高速、高性能数字信号采集功能。

3.3应用程序举例
  
(1)A/D数据采集部分的初始化部分程序

 

4 注意事项
  在绘制PCB版图时,要注意将AD7656的模拟和数字部分分开布局,并把它们放在板上的特定区域,这样可以使地层比较容易分开,使用起来比较方便。数字地层和模拟地层应该在板上的某一处连接到一起,可以用0Ω电阻器,也可以使用磁珠或直接用焊锡连接。建议在布线的时候不要将数据线布在该器件的下方,因为这样做会使信号和噪声混在一起。电源线应该尽量粗一些,这样可以尽量减小电源线的脉冲干扰。去耦电容器应尽量地靠近器件,之间的连线要尽量短以减小感抗。电路的性能除了受核心ADC的影响外,还受到各种外围辅助电路性能的影响。

5 结束语
  本文介绍了采用先进的工业CMOS(iCMOS)工艺制造的AD7656型模,数转换器,并将它应用在数字采集系统中。多通道模/数转换器同步采样技术提高了数字信号处理的速度和精度。AD7656的外围电路配置简单,应用领域也会越来越广泛。

关键字:电阻  布线  工艺  数字

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