高性能ADC芯片AD7813：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換是一項(xiàng)至關(guān)重要的技術(shù)，而ADC（模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器）芯片則是實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換的核心部件。AD7813作為一款高性能的ADC芯片，以其獨(dú)特的特性和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，受到了眾多電子工程師的青睞。今天，我們就來(lái)深入了解一下這款芯片。

文件下載：AD7813.pdf

一、AD7813的基本特性

1. 轉(zhuǎn)換性能

AD7813是一款高速、與微處理器兼容的8/10位ADC，最大吞吐量可達(dá)400 kSPS，轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為2.3 μs。這種高速轉(zhuǎn)換能力使得它能夠快速準(zhǔn)確地將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，滿足許多實(shí)時(shí)應(yīng)用的需求。

2. 電源與功耗

該芯片采用單電源供電，電源范圍為2.7 V至5.5 V，具有低功耗的特點(diǎn)。在正常工作模式下，當(dāng) (V{DD}=3V) 時(shí)，功耗僅為10.5 mW。同時(shí)，它還具備自動(dòng)掉電功能，在1 kSPS的吞吐量下， (V{DD}=3V) 時(shí)功耗僅為34.6 μW，這一特性使得它在電池供電的應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

3. 接口設(shè)計(jì)

AD7813擁有8位寬的并行接口，能夠方便地與大多數(shù)流行的微處理器和DSP進(jìn)行接口，只需最少的外部電路。通過兩次8位讀取操作即可獲取10位的轉(zhuǎn)換結(jié)果，第一次讀取訪問ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的8個(gè)最高有效位（MSBs），第二次讀取訪問2個(gè)最低有效位（LSBs）。

4. 動(dòng)態(tài)性能

除了傳統(tǒng)的ADC規(guī)格外，AD7813還針對(duì)交流參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)格說明，包括信噪比和失真等。例如，在 (f{IN}=30kHz) ， (f{SAMPLE}=350kHz) 的條件下，信號(hào)與（噪聲 + 失真）比最小為58 dB。

二、AD7813的工作原理與電路設(shè)計(jì)

1. 轉(zhuǎn)換原理

AD7813是基于電荷再分配DAC的逐次逼近型ADC，能夠?qū)? V至 (V{DD}) 范圍內(nèi)的模擬輸入信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在采集階段，開關(guān)SW2閉合，SW1處于位置A，比較器保持平衡，采樣電容采集 (V{IN+}) 上的信號(hào)；轉(zhuǎn)換開始時(shí)，SW2打開，SW1移動(dòng)到位置B，比較器失去平衡，控制邏輯和電荷再分配DAC通過對(duì)采樣電容添加或減去固定電荷量，使比較器重新達(dá)到平衡，此時(shí)轉(zhuǎn)換完成，控制邏輯生成ADC輸出代碼。

2. 典型連接圖

在典型連接圖中，并行接口通過8位數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)，CONVST信號(hào)的下降沿使BUSY信號(hào)變高，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)BUSY信號(hào)的下降沿可用于觸發(fā)微處理器的中斷服務(wù)程序（ISR）。 (V{REF}) 連接到經(jīng)過良好去耦的 (V{DD}) 引腳，以提供0 V至 (V_{DD}) 的模擬輸入范圍。

3. 模擬輸入電路

AD7813的模擬輸入結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)二極管D1和D2，用于提供ESD保護(hù)。需要注意的是，模擬輸入信號(hào)不能超過電源軌200 mV，否則二極管會(huì)導(dǎo)通，最大導(dǎo)通電流不能超過20 mA。采樣電容C1的電容值為3.5 pF，電阻R1通常約為125 Ω。

4. 采集時(shí)間

• DC采集時(shí)間：ADC在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)開始新的采集階段，在CONVST信號(hào)的下降沿結(jié)束。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，采樣電路有一個(gè)約100 ns的穩(wěn)定時(shí)間，在此期間也在采集 (V_{IN}) 上的模擬信號(hào)，因此最小采集時(shí)間約為100 ns。
• AC采集時(shí)間：在交流應(yīng)用中，建議對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行緩沖，驅(qū)動(dòng)電路的源阻抗應(yīng)盡可能低，以最小化ADC的采集時(shí)間。高源阻抗會(huì)導(dǎo)致高吞吐量下的總諧波失真（THD）下降。

三、AD7813的時(shí)序與控制

1. 時(shí)序特性

AD7813的時(shí)序特性包括上電時(shí)間、轉(zhuǎn)換時(shí)間、CONVST脈沖寬度等。上電時(shí)間為1.5 μs，轉(zhuǎn)換時(shí)間為2.3 μs，CONVST脈沖寬度最小為20 ns。

2. 控制模式

• 模式1（高速采樣）：當(dāng)BUSY信號(hào)變低時(shí)，如果外部CONVST為邏輯高，則芯片處于模式1。在這種模式下，AD7813在轉(zhuǎn)換之間不會(huì)掉電，適用于吞吐量大于100 kSPS的高速采樣應(yīng)用。
• 模式2（自動(dòng)掉電）：在較低吞吐量下，可通過在BUSY信號(hào)下降沿之前將CONVST信號(hào)置為邏輯低，使AD7813在轉(zhuǎn)換之間掉電，以實(shí)現(xiàn)更好的功率性能。芯片在CONVST信號(hào)的上升沿重新上電。

四、AD7813的并行接口與微處理器接口

1. 并行接口

AD7813的并行接口為8位寬，當(dāng)CS和RD都為邏輯低時(shí)，數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容會(huì)被放置在8位數(shù)據(jù)總線上。通過兩次連續(xù)的讀取操作可以獲取10位的轉(zhuǎn)換結(jié)果。當(dāng)BUSY信號(hào)變高時(shí)，并行接口會(huì)被重置。

2. 微處理器接口

• 與8051接口：AD7813的BUSY信號(hào)可向8051微控制器提供中斷請(qǐng)求。8051的端口0可作為雙向的低地址和數(shù)據(jù)總線，地址鎖存使能輸出用于鎖存地址的低字節(jié)，高字節(jié)地址由端口2提供。
• 與PIC16C6x/7x接口：文檔雖未詳細(xì)說明，但可以推測(cè)其接口方式也會(huì)基于AD7813的并行接口特性，通過合理的引腳連接和控制信號(hào)的配置來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和轉(zhuǎn)換控制。

五、總結(jié)與思考

AD7813以其高速轉(zhuǎn)換、低功耗、易于接口等特性，在電子設(shè)計(jì)中具有廣泛的應(yīng)用前景。無(wú)論是在電池供電的便攜式設(shè)備，還是在需要高速數(shù)據(jù)采集的工業(yè)應(yīng)用中，都能發(fā)揮重要作用。

作為電子工程師，在使用AD7813時(shí)，需要充分考慮其電源要求、采集時(shí)間、時(shí)序控制等因素，以確保芯片能夠穩(wěn)定、高效地工作。同時(shí)，我們也可以思考如何進(jìn)一步優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮AD7813的性能優(yōu)勢(shì)，為產(chǎn)品帶來(lái)更好的性能和競(jìng)爭(zhēng)力。你在使用AD7813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。