高速8位ADCs MAX155/MAX156的原理及应用

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:MAX155/MAX156是美国MAXIM公司推出的一种高速、8位、多通道模数转换器(ADCs),该器件的每个通道均有自己的跟踪/保持电路,所有的跟踪/保持采样可同时进行。该芯片可广泛用于各种多路信号采集、A/D转换驱动和信号测量电路。文中着重介绍了MAX155/MAX156的原理、结构和功能,并通过相关电路的比较说明了该芯片的优点,同时给出了一个关于MAX155/MAX156 的应用实例。 关键词:MAX155/MAX156;ADCs;跟踪/保持 美国MAXIM公司推出的高速、8位、多通道模数转换器(ADCs)MAX155和MAX156分别有8个模拟输入通道和4个模拟输入通道,每个通道都带有自己的跟踪/保持电路,所有的跟踪保持采样可同时进行,因而可以减小各通道的采样时间差异。每个通道的转换时间为3.6μs,并能将结果存在内部的8%26;#215;8RAM中。在单电源+5V供电时,MAX155/MAX156可工作于单极或双极性、单端或差分等形式的转换电路中。如果需要更宽的电压范围或正负双极性转换,芯片必须由%26;#177;5V供电。MAX155/MAX156的另一个特性是具有2.5V的内部参考电压和电源关断功能,这样就提供了一个完善的数据采集系统。 图1 1 芯片介绍 1.1 芯片引脚定义 MAX155采用28脚DIP和宽SO两种封装,MAX156则采用24脚窄塑料DIP和28脚宽SO封装,它们的引脚排列如图1所示。 1.2 特点参数 MAX155/MAX156的主要特点和工作参数如下 ●多输入通道 具有4个或8个同步跟踪保持采样输入通道; ●输入方式:具有单端、差分输入以及单极性或双极性输入方式; ●内部参考电压:2.5V; ●配置方式:混合输入配置; ●转换时间:每通道3.6μs; ●线性误差 %26;#177;1LSB最大; ●参考输入电压:2.5V典型; ●参考输出电压:2.5V典型; ●直流输入电阻:10MΩ; ●外部时钟频率:0.5~5MHz; ●电源供电方式单5V或双%26;#177;5V供电; ●工作温度:0~+70℃。 2 工作原理 2.1 芯片结构图 MAX155/MAX156内部包含一个3.6μs的逐次逼近ADC和8/4个跟踪保持输入端。当转换开始时所有的模拟输入端同时采样而且无论转换是否被选择,所有的通道都进行采样。MAX155/MAX156既可进行单通道也可进行多通道转换,且通道可以配置为混合输入。它们的转换结果被存入片内RAM中,其内部结构如图2所示(以MAX155为例,MAX156类似)。 在WR端加一个脉冲即可启动MAX155/MAX156的转换。在WR的上升沿,MUX配置寄存器数据;在WR的下降沿,所有的通道开始采样。访问转换结果可用连续的RD脉冲读出,并可自动从通道0开始顺序访问RAM。每一个RD脉冲会使RAM的地址计数器加1。在多通道转换中,当WR变为低时,RAM地址计数器复位到0。在装载RAM地址(A0~A2)的同时使D4/INH为1,可设置地址并禁止转换,此时执行一条读操作可以读出RAM的任一地址。 2.2 模式配置 MAX155/MAX156根据应用场合的不同要求可以设置为两种模式输入/输出模式和硬连线模式。 (1) 输入/输出模式 当MODE输入端开路时,为输入/输出配置模式。在输入/输出配置模式中,MUX配置寄存器用于决定转换的类型。在WR的上升沿,寄存器被更新。在转换开始后,BUSY端变低,转换从选定的最低通道开始顺序进行。当BUSY变高以后,转换结果存储到RAM中。在转换结束后,微处理器可以用连续的RD脉冲访问RAM中的数据。第一次读出的数据是最低通道的转换结果,后续的脉冲将顺序读出余下通道的转换结果。 (2) 硬连线模式 对于较简单的应用场合,MODE和VSS端的连线可用来指定转换的类型,在这种连线模式下,一般不使用配置寄存器,所以D0~D7端的输入数据被忽略。以MAX155为例,MODE端连接到低电平时,在WR脉冲作用下,系统将启动8通道的单端转换;而当MODE端连接到高电平时,在WR脉冲的作用下,系统将启动4通道差分转换。实际上在D0~D7端出现的数据一般不会影响到配置寄存器。 3 电路比较 在实际测控和仪表应用中,经常会遇到要求多路数据信号同时进行采集的情况。而以往的A/D采样转换芯片,虽然可进行多路A/D转换,但各个通道的采样转换是依次进行的,不能保证各通道的同时采样转换。这种方式下的解决办法有两种:一种是采用单路A/D转换芯片,并在外部另加采样保持器,接着将各路输入信号同时进行采样保持,然后再采用多路选择器逐次选择各通路,最后再送入到单路A/D转换中去。另一种是采用多路A/D转换芯片,该方法只是在上述电路中省去了多路转换器这样能保证各路信号的同时采样,图3所示是采用传统A/D转换芯片时的实现方式。 虽然图3电路能保证各个通道的信号同时采样,但是也存在一些缺点: (1)使用这种方法时,每个信号通道必须外加一个采样保持器,因而所用器件较多。 (2)电路控制比较复杂,实时性不强。 (3)大量器件在印制电路板上占用空间,既增加了布线的困难,又增加了制板的费用。 (4)系统所用的元器件较多,不利于进一步提高集成度,而且易受干扰。 因此,采用MAX155/MAX156实现多路信号的同时采样是非常适合的。 此外,这种电路还有如下优点: (1)每个通道有自己的跟踪/保持电路,所有的跟踪/保持采样可同时进行,而且元件数量比较少,从而使电路板占用的空间大大减少。 (2)ADC转换器每个通道转换时间仅为3.6μs,因而实时性很强。 (3)可进行单极或双极性、单端或差分等形式的转换,应用范围广。 (4)根据应用场合的不同要求可以设置输入/输出模式和硬连线模式,因而适应性较强。 (5)芯片T/H放大器的输入阻抗很高,一般不需要输入缓冲。 (6)能够用软件改变配置寄存器来适应信号的不同要求,而且设计简单,控制容易。 (7)集成度高,电路不易受干扰。 4 应用实例 信号采集系统是工业对象检测、控制的重要环节。只有正确地将现场数据采集回来才能进行分析、处理。在工业对象仿真监控装置中,通常由现场传感器获得各类信号,经预处理电路滤波并使其电压值达到A/D转换器的电压输入范围后,送入A/D转换器的采集通道。由于本系统不但要求采集现场参数,而且还包括随机干扰和确定性干扰等扰动信号,所以对A/D转换器的多通道采样的同时性要求很高,MAX155/MAX156A正好满足这种要求。 将MAX156的MODE端悬空、Vss接-5V可选择正负双极性转换的输入/输出模式。AT89C52作为微处理器,主要用来控制MAX156按实际需要进行单极或双极性、单端或差分等各种形式的转换,各引脚连接如图4所示。图中,四路采样信号VIN1~VIN4经过预处理后,经限幅电路可分别输入到MAX156的四个模拟输入端AIN1~AIN4。MAX156的外部时钟范围为0.5~5MHz,所以,电路中将单片机AT89C52的外部时钟频率11.059MHz,通过4位二进制计数器74LS93进行四分频后,送入MAX156的外部时钟端。采样转换时,AT89C52给出一个WR脉冲,并在WR的下降沿开始转换,此时ADC的RAM地址计数器复位到0,在转换结束后,AT89C52通过连续RD的脉冲顺序读出RAM中的数据。第一次读出的是最低通道的转换结果,后续RD脉冲顺序读出余下通道的转换结果。 图4 在使用MAX155/MAX156时,根据笔者的经验,应注意以下几个问题: (1)内部的2.5 V基准源输出端(REFOUT)必须通过1个4.7μF的电解电容和1个0.1μF的瓷片电容旁路到模拟地,以保证器件的稳定性。 (2)如果在REFIN端接入外部基准源,那么RE-FOUT必须接旁路电容,或者将REFOUT端连接到VDD,这样可以防止振荡输出和在ADC中产生转换噪声,这样做的缺点是电源关断模式中的电流会比给定值大250μA。 (3)为了减小耗尽电流MAX156内部的参考电压在电源关断期间将被关闭。当恢复正常运行PD=0时需要约5ms的时间,以使参考电压在转换执行前给其4.7μF旁路电容充电。如果采用一个外部参考电压并且在电源关断期间一直保持那么,在设置PD为0后的50μs内,转换就能开始。 (4)VDD应通过1个4.7 μF的电解电容和1个0.1μF的瓷片电容接到模拟地。如果输入信号低于地电平,必须使用负电源,在这种情况下VSS应通过1个4.7μF的电解电容和1个0.1μF的瓷片电容接到模拟地,这样可保持供电电压的稳定。 (5)内部参考电压需要4.7μF和0.1μF的电容来并联旁路。如果用外部参考电压就需要在紧挨着芯片处通过一个4.7μF电容旁路REFIN到模拟地 也就是说,REFOUT必须保持旁路到模拟地或者接VDD。 (6)由于MAX155/MAX156的T/H放大器的输入阻抗很高,因此,通常不再需要输入缓冲电路。而且MAX155/MAX156的所有T/H可同时采样。为了得到最佳的转换结果,模拟输入不应高于VDD+50 mV或低于VSS-50mV。 (7) 采集一个通道的输入信号所需要的时间取决于通道输入电容充电的速度。如果输入信号的源阻抗很高,那么采集时间就比较长,在这种情况下,两次转换之间的间隔时间应长一些,采集时间一般不小于800ns。其采集时间tACQ的计算公式如下 tACQ=8RS+RIN%26;#215;4pF(不小于800ns) 其中,RIN应选为15kΩ,RS为输入信号源电阻 转换时间tCONV则可由下式决定: tCONV=2%26;#215;9N/fCLK 其中,N是转换通道数,fCLK是外部时钟。

关键字:高速  原理  应用

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