深入剖析ADC080x系列8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器

引言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是連接模擬世界和數(shù)字世界的關(guān)鍵橋梁。今天，我們將深入探討德州儀器（TI）的ADC080x系列8位、與微處理器（μP）兼容的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括ADC0801、ADC0802、ADC0803、ADC0804和ADC0805。這些器件具有諸多出色的特性，廣泛應(yīng)用于各種電子系統(tǒng)中。

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一、產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

1. 兼容性與便捷性

ADC080x系列與8080 - μP衍生物兼容，無需額外的接口邏輯，訪問時(shí)間僅為135 ns。這使得它能夠輕松與所有微處理器接口，也可作為獨(dú)立設(shè)備運(yùn)行，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程。

2. 輸入輸出特性

采用差分模擬電壓輸入，能夠有效提高共模抑制比，并可偏移模擬零輸入電壓值。其邏輯輸入和輸出滿足MOS和TTL電壓電平規(guī)范，適用范圍廣泛。

3. 電壓參考與時(shí)鐘

可與2.5 - V（LM336）電壓參考配合使用，內(nèi)部集成時(shí)鐘發(fā)生器。在單5 - V電源下，模擬輸入電壓范圍為0 - V至5 - V，且無需零調(diào)整，使用起來更加方便。

4. 封裝形式

提供0.3 - 英寸標(biāo)準(zhǔn)寬度20 - 引腳DIP封裝、20 - 引腳模制芯片載體或小外形封裝等多種選擇，滿足不同的應(yīng)用需求。

5. 關(guān)鍵規(guī)格

分辨率為8位，總誤差有±1/4 LSB、±1/2 LSB和±1 LSB等不同規(guī)格可選，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100 μs，性能表現(xiàn)出色。

二、應(yīng)用場(chǎng)景廣泛

1. 與微處理器配合

可與任何8位μP處理器配合使用，也可作為獨(dú)立設(shè)備運(yùn)行，適用于各種微處理器系統(tǒng)。

2. 傳感器接口

能夠與溫度傳感器、電壓源和傳感器等進(jìn)行接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的數(shù)字化采集，在工業(yè)控制、儀器儀表等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

三、詳細(xì)技術(shù)解讀

1. 器件結(jié)構(gòu)與原理

ADC080x系列是CMOS 8位逐次逼近型轉(zhuǎn)換器，采用差分電位計(jì)梯形電路，類似于256R產(chǎn)品。其輸出為三態(tài)鎖存，可直接驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)總線，對(duì)微處理器而言，這些ADC就像內(nèi)存位置或I/O端口，無需額外的接口邏輯。

2. 引腳配置與功能

3. 電氣特性

絕對(duì)最大額定值

在不同的工作條件下，對(duì)電源電壓、輸入輸出電壓、引腳溫度、存儲(chǔ)溫度和封裝功耗等都有明確的限制。例如，電源電壓（V CC）最大值為6.5 V，超過這些限制可能會(huì)對(duì)器件造成永久性損壞。

ESD額定值

人體模型（HBM）的靜電放電額定值為±800 V，在使用和處理過程中需要注意靜電防護(hù)。

推薦工作條件

推薦的VCC范圍為4.5 - 5.5 V，模擬輸入電壓范圍為GND - 0.05至V CC + 0.05 V DC，在這個(gè)范圍內(nèi)使用可以保證器件的性能和穩(wěn)定性。

熱信息

不同封裝形式的器件在熱阻、熱特性參數(shù)等方面有所不同。例如，NFH（PDIP）封裝的ADC080x和ADC0804 DW（SOIC）封裝的ADC0802在結(jié)到環(huán)境熱阻、結(jié)到外殼熱阻等方面存在差異，在設(shè)計(jì)散熱方案時(shí)需要考慮這些因素。

電氣特性

不同型號(hào)的器件在總調(diào)整誤差、V REF /2輸入電阻、模擬輸入電壓范圍、直流共模誤差和電源靈敏度等方面有各自的規(guī)格。例如，ADC0801的總調(diào)整誤差為±1/4 LSB，這些參數(shù)對(duì)于評(píng)估器件的性能和選擇合適的型號(hào)非常重要。

交流電氣特性

轉(zhuǎn)換時(shí)間、時(shí)鐘頻率、時(shí)鐘占空比和轉(zhuǎn)換速率等交流特性也有明確的規(guī)定。例如，在f CLK = 640 kHz時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為103 - 114 μs，時(shí)鐘頻率范圍為100 - 1460 kHz。

4. 功能模式

模擬輸入模式

• 正常模式：由于內(nèi)部開關(guān)動(dòng)作，模擬輸入會(huì)有位移電流流動(dòng)，但這些電流瞬變?cè)趦?nèi)部時(shí)鐘的前沿出現(xiàn)，會(huì)迅速衰減，不會(huì)導(dǎo)致誤差，因?yàn)槠?a target="_blank">比較器在時(shí)鐘周期結(jié)束時(shí)進(jìn)行選通。
• 故障模式：如果施加到V IN (+)或V IN (–)引腳的電壓源超過允許的工作范圍（V CC + 50 mV），大的輸入電流可能會(huì)通過寄生二極管流向V CC引腳，此時(shí)應(yīng)添加外部二極管進(jìn)行旁路。

數(shù)字控制輸入

數(shù)字控制輸入（CS、RD和WR）滿足標(biāo)準(zhǔn)TLL邏輯電壓電平，且為低電平有效，便于與微處理器控制總線接口。在非微處理器應(yīng)用中，可將CS輸入接地，通過WR輸入的低電平脈沖啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，通過RD輸入的低電平實(shí)現(xiàn)輸出使能。

四、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)案例

1. 測(cè)試ADC轉(zhuǎn)換器

一種簡(jiǎn)單的測(cè)試方法是向轉(zhuǎn)換器施加已知的模擬輸入電壓，并使用LED顯示數(shù)字輸出代碼。為了便于測(cè)試，可將V REF / 2引腳提供2.560 V DC的電壓，V CC電源電壓使用5.12 V DC。對(duì)于更高速的測(cè)試系統(tǒng)或需要繪制數(shù)據(jù)的情況，可使用數(shù)字 - 模擬轉(zhuǎn)換器作為精密電壓源。

2. 微處理器接口

與8080微處理器衍生物接口

該轉(zhuǎn)換器可直接與8080微處理器的衍生物接口，可映射到內(nèi)存空間或作為I/O設(shè)備進(jìn)行控制。在較大的微處理器系統(tǒng)中，建議使用總線驅(qū)動(dòng)器以滿足數(shù)據(jù)總線的負(fù)載要求。

與INS8048接口

接口技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，利用8048的額外I/O線，將其中一條I/O線作為芯片選擇信號(hào)，RD、WR和INT信號(hào)直接連接到ADC，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在片上RAM中。

與Z - 80接口

Z - 80的控制總線與8080略有不同，需要將IORQ和RD、WR信號(hào)進(jìn)行組合。在I/O空間中操作時(shí)，CPU會(huì)自動(dòng)插入一個(gè)等待狀態(tài)，為I/O設(shè)備提供更多的響應(yīng)時(shí)間。

與6800微處理器衍生物接口

6800微處理器衍生物使用單R/W線和p2時(shí)鐘進(jìn)行控制，ADC可在6800系統(tǒng)中進(jìn)行內(nèi)存映射。在接口設(shè)計(jì)中，可使用DM8092進(jìn)行CS解碼，或直接使用已解碼的線連接到ADC的CS引腳。

3. 典型應(yīng)用

8080接口

在8080接口應(yīng)用中，利用差分模擬電壓輸入可實(shí)現(xiàn)偏移和共模抑制，同時(shí)可通過調(diào)整參考電壓來適應(yīng)不同的模擬輸入電壓范圍。在設(shè)計(jì)過程中，需要考慮輸入電流、噪聲、參考電壓等因素。

多個(gè)ADC與MC6800 CPU接口

采用多個(gè)ADC0801系列與MC6800 CPU接口的方案，可同時(shí)對(duì)多個(gè)模擬通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換，提高系統(tǒng)的處理效率。所有中斷信號(hào)進(jìn)行或運(yùn)算，確保所有ADC完成轉(zhuǎn)換后再中斷微處理器。

自動(dòng)歸零差分傳感器放大器與ADC轉(zhuǎn)換器

利用ADC0801系列的差分輸入特性，可消除差分傳感器的差分 - 單端轉(zhuǎn)換需求，減少一個(gè)運(yùn)算放大器的使用。通過自動(dòng)歸零子程序可消除前置放大器的輸入失調(diào)電壓誤差。

多個(gè)ADC與Z - 80型微處理器接口

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，當(dāng)多個(gè)ADC轉(zhuǎn)換器中斷微處理器的程序執(zhí)行時(shí)，可通過DM74LS373進(jìn)行解碼，確定哪個(gè)ADC完成轉(zhuǎn)換并請(qǐng)求中斷，按照優(yōu)先級(jí)順序讀取數(shù)據(jù)。

4. 系統(tǒng)示例

文檔中還給出了多種系統(tǒng)示例，如零偏移和跨度調(diào)整、低電平信號(hào)直接轉(zhuǎn)換、μP接口比較器等，展示了ADC080x系列在不同場(chǎng)景下的應(yīng)用方法和設(shè)計(jì)思路。

五、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1. 電源供應(yīng)

要確保集成電路的電源極性正確，避免反向連接。在V CC供應(yīng)線上的噪聲尖峰可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換誤差，建議在轉(zhuǎn)換器V CC引腳附近使用低電感、低ESR的鉭旁路電容，并使用單獨(dú)的5 - V電壓調(diào)節(jié)器來減少數(shù)字噪聲。

2. 布局設(shè)計(jì)

邏輯信號(hào)導(dǎo)線和引線應(yīng)與模擬信號(hào)引線分開布局，避免模擬輸入引線暴露在外，以免引入數(shù)字噪聲和60 - Hz干擾。建議使用單點(diǎn)模擬接地，并將電源旁路電容連接到數(shù)字接地，V REF / 2旁路電容、模擬輸入濾波電容和輸入信號(hào)屏蔽應(yīng)連接到模擬接地。

3. 靜電放電防護(hù)

這些器件的內(nèi)置ESD保護(hù)有限，在存儲(chǔ)或處理過程中，應(yīng)將引腳短路或放置在導(dǎo)電泡沫中，防止MOS柵極受到靜電損壞。

六、總結(jié)

ADC080x系列8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器以其出色的兼容性、豐富的功能和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，成為電子工程師在設(shè)計(jì)中常用的器件之一。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的需求選擇合適的型號(hào)，并注意電源供應(yīng)、布局設(shè)計(jì)和靜電防護(hù)等問題，以確保器件的性能和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。希望通過本文的介紹，能幫助大家更好地了解和使用ADC080x系列轉(zhuǎn)換器。

你在使用ADC080x系列器件的過程中遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。