AD1672單片12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的原理及其應(yīng)用

一、 概述

?????? AD1672是美國adi公司最近推向市場的一種新型單片式模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。片上含有4個(gè)高性能采樣保持放大器(sha)和4個(gè)閃爍式adc及電壓基準(zhǔn)。它采用4級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，輸出帶有誤差修正邏輯電路，并采用bicmos工藝，從而保證在3msps采樣速度下12位精度，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)不失碼。由于ad1672輸入sha具有快速建立特性，所以它既適合從負(fù)滿度到正滿度電壓逐次切換多通道系統(tǒng)，又適合輸入頻率高達(dá)奈奎斯特速率的單通道采樣。

??????? ad1672具有寬頻帶輸入、單電源供電、低功耗和低價(jià)格等特點(diǎn)，非常適用于通信、圖象處理和醫(yī)療設(shè)備新電路設(shè)計(jì)。 ad1672采用28腳plcc封裝，工作溫度范圍為-40～+85°c，其引腳排列見圖1，引腳功能說明見表1。

圖1 ad1672引腳排列

　　類型：ai—模擬輸入;di—數(shù)字輸入;p—電源; ao—模擬輸出;do—數(shù)字輸出。

　　表1 ad1672引腳功能說明

?????? 二、工作原理

?????? ad1672采用4級(jí)流水線閃爍式(flash),又稱并行式模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(見圖2)。

圖2 ad1672 結(jié)構(gòu)框圖

　　4級(jí)閃爍式adc的分辨率分別為4，4，3和4位，其中每兩級(jí)之間重疊1位用來誤差修正。用低噪聲sha采集滿度值，單端輸入在167ns內(nèi)具有12位精度。ad1672的工作過程，首先第一級(jí)閃爍式adc對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行4位近似轉(zhuǎn)換，同時(shí)利用第1級(jí)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)將這4位數(shù)字量轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的精確模擬量。再從第1級(jí)sha輸出的模擬量減去第1級(jí)dac產(chǎn)生的模擬量得到一個(gè)殘差。然后，第2級(jí)sha對(duì)這個(gè)殘差進(jìn)行采樣和保持，第2級(jí)adc對(duì)此進(jìn)行4位近似轉(zhuǎn)換，同樣利用第2個(gè)dac得到第2級(jí)殘差。一但第2級(jí)sha進(jìn)入保持方式，第1級(jí)sha便返回到采樣方式，以采集新的輸入信號(hào)。第3級(jí)轉(zhuǎn)換與第1級(jí)和第2級(jí)類似，也由一個(gè)sha，一個(gè)adc和一個(gè)dac構(gòu)成，不同之處分辨率不是4位而是3位。第4級(jí)，即最后一級(jí)轉(zhuǎn)換僅由1個(gè)4位閃爍式adc構(gòu)成，完成最終殘差的模數(shù)轉(zhuǎn)換。最后在修正邏輯單元，累計(jì)4級(jí)閃爍式adc構(gòu)成15位輸出，但由于在累計(jì)過程中采用了適當(dāng)?shù)恼`差修正方法，使最終輸出字為12位。數(shù)字輸出連同超量程指示(otr)都被鎖存到輸出緩沖器以驅(qū)動(dòng)輸出引腳。

　　由于ad1672結(jié)構(gòu)的每一級(jí)都有一個(gè)附加的sha，所以允許流水線轉(zhuǎn)換。實(shí)際上這種模數(shù)轉(zhuǎn)換器是由多級(jí)輸入，同時(shí)轉(zhuǎn)換，通過串行鏈方式完成四級(jí)轉(zhuǎn)換過程。這表明，雖然這種轉(zhuǎn)換器在每個(gè)時(shí)鐘周期都具有捕獲新輸入信號(hào)的能力，但要完成全部轉(zhuǎn)換并且在輸出端呈現(xiàn)數(shù)字量，實(shí)際上只用2 1/2個(gè)時(shí)鐘周期。這種“流水線延遲(pipeline delay)”在許多應(yīng)用中它并不引人注意，只是在有些情況下才考慮這個(gè)問題。例如，在高速反饋環(huán)路要求使用adc的一些場合，只有提供一個(gè)理想的數(shù)字輸出結(jié)果，才能對(duì)其輸入信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償(例如，視頻應(yīng)用中的失調(diào)校準(zhǔn)或零點(diǎn)恢復(fù))。在這種情況下，在計(jì)算環(huán)路穩(wěn)定性時(shí)，必須考慮通過流水線引起的時(shí)鐘延時(shí)。另外，由于轉(zhuǎn)換器同時(shí)在3個(gè)轉(zhuǎn)換器上工作，所以在轉(zhuǎn)換過程的主要交接處(例如，電源或基準(zhǔn)引起的大的尖峰毛刺)會(huì)使3個(gè)采樣數(shù)據(jù)變壞。最后應(yīng)當(dāng)說明，ad1672存在一個(gè)最小的時(shí)鐘速率，低于這個(gè)最小值，sha的頂降率會(huì)使流水線信號(hào)變壞，這個(gè)最小時(shí)鐘速率在25°c 時(shí)為20khz。通常時(shí)鐘速率選取3mhz。

　　ad1672的內(nèi)部定時(shí)控制電路利用了時(shí)鐘的上升沿和下降沿。ad1672在時(shí)鐘輸入的上升沿對(duì)模擬輸入信號(hào)采樣。當(dāng)時(shí)鐘處于低電平期間(處于時(shí)鐘下降沿和上升沿之間)，輸入sha處于采樣方式;當(dāng)時(shí)鐘處于高電平期間，則sha處于保持方式。由于這種器件利用時(shí)鐘上升沿和下降沿定時(shí)，所以僅在時(shí)鐘上升沿，抖動(dòng)才很明顯。

　　三、應(yīng)用

　　1.模擬輸入

　　ad1672等效模擬輸入電路如圖3所示，其中輸入sha及其輔助電阻網(wǎng)絡(luò)很容易接成單極性(0～2.5v或0～5.0v)或雙極性(-2.5～+2.5v)，見圖4。ad1672標(biāo)稱輸入電阻rin，對(duì)于 2.5 v輸入范圍為2kω，對(duì)于5.0v輸入范圍為4kω。

圖3 等效模擬輸入電路

圖4 輸入范圍選擇

?????? ad1672雖然是單電源+5v供電，但同樣可用于交流輸入信號(hào)，見圖5。由于耦合電容器與ad1672的輸入阻抗構(gòu)成一階高通濾波器，-3db轉(zhuǎn)折頻率f−3db計(jì)算公式為f−3db= 1 /(2 ×π × rin × ceq )

其中rin 為不同接法時(shí)的輸入阻抗;ceq 為耦合電容器c1與c2的并聯(lián)值。應(yīng)當(dāng)注意的是，c1一般使用大的電解電容或鉭電容，有利于在高頻段導(dǎo)通。又并聯(lián)一個(gè)小陶瓷電容c2，使其在很寬的頻率范圍內(nèi)在低頻段仍然保持低阻抗特性。一般c1取10μf，c2取0.1～1.0μf。在直流耦合應(yīng)用中，推薦使用緩沖放大器驅(qū)動(dòng)AD1672的輸入。一般選用高速、寬頻帶視頻運(yùn)算放大器。由于緩沖放大器與ad1672的輸入電阻的相互作用，任何源電阻都要對(duì)增益誤差和失調(diào)誤差有影響。在直流精密測量應(yīng)用中，調(diào)整電路實(shí)例請(qǐng)見ad1672的產(chǎn)品說明。對(duì)于使用電源電壓大于6.5v的放大器，在ad1672的輸入端推薦使用箝位電路。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，它可使輸入電壓箝位到6.5v。

圖5 交流耦合輸入接線圖

　　基準(zhǔn)電壓 ad1672的標(biāo)稱基準(zhǔn)輸出電壓相對(duì)基準(zhǔn)地(refcom)為2.5v。基準(zhǔn)輸入(refin)引腳可以接到基準(zhǔn)輸出(refout)引腳，也可接到高精度2.5v外部基準(zhǔn)電壓源(例如ad780b，ref192e，ref43b)。ad1672內(nèi)部含有+2.5v曲率補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)，雖然其絕對(duì)值和溫漂系數(shù)都經(jīng)過激光修整，但在refout與refcom引腳之間必須接一個(gè)1μf以上的補(bǔ)償電容器。該基準(zhǔn)源可提供最大負(fù)載電流為500μa，對(duì)于外接負(fù)載電流大于500μa情況下，需要外接緩沖放大器或上拉電阻器。

　　數(shù)字輸出 ad1672在不同的輸入方式下輸出的數(shù)據(jù)形式不同：對(duì)于單極性輸入，輸出數(shù)據(jù)是直接的二進(jìn)制碼;對(duì)于雙極性輸入，輸出數(shù)據(jù)是偏移二進(jìn)制碼。當(dāng)數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)電源(drvdd)引腳分別接+5v或+3.3v時(shí)，可使ad1672cmos數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器接口分別適合+5v或3.3v邏輯電路。雖然ad1672可以提供足夠大的輸出電流來驅(qū)動(dòng)范圍很寬的邏輯電路，但是大的驅(qū)動(dòng)電流會(huì)產(chǎn)生電源引起的毛刺，影響s/(n+d)性能。當(dāng)ad1762驅(qū)動(dòng)大的容性負(fù)載或大的扇出時(shí)，在drvdd 與v dd 引腳上都應(yīng)外接去耦電容。在數(shù)據(jù)終端，需要外部緩沖器或鎖存器，例如sn74hc541，74hc541。

　　超量程

　　當(dāng)模擬輸入電壓超過輸出范圍(0～+2.5v，0～+5.0v，±2.5v)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生超量程現(xiàn)象。ad1672提供超量程(otr)輸出引腳，指示超量程，利用otr引腳和最高位(msb)的與非邏輯結(jié)果可確定欠量程(低電平)和超量程(高電平)狀態(tài)。 增益誤差和失調(diào)誤差調(diào)整ad1672的增益誤差、失調(diào)誤差和線性誤差出廠時(shí)已經(jīng)調(diào)整到最小，但是有些應(yīng)用仍需要通過外部調(diào)整將增益誤差和失調(diào)誤差調(diào)整到零。因?yàn)檫@兩種誤差相互影響，所以需要反復(fù)調(diào)整。利用otr引腳，監(jiān)控它的輸出可分別在負(fù)滿度-fs和正滿度+fs兩種情況下將其調(diào)整到1/2 lsb范圍內(nèi)，具體調(diào)整電路請(qǐng)見ad1672產(chǎn)品說明。 接地與電源去耦適當(dāng)?shù)亟拥嘏c去耦是高速、高分辯率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)要求。ad1672的特點(diǎn)是將模擬電源、數(shù)字電源和地都分開，使系統(tǒng)模擬地和數(shù)字地電路電流得到最佳管理。通常模擬電源和數(shù)字電源都應(yīng)分別對(duì)地接去耦電容，并應(yīng)盡量靠近接地端。對(duì)于數(shù)字輸出端呈現(xiàn)大的容性負(fù)載(通常每引腳為20pf)，在drvdd引腳對(duì)數(shù)字地應(yīng)接一個(gè)0.1μf陶瓷電容器。有關(guān)ad1672的詳細(xì)應(yīng)用情況，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換接口板的電路設(shè)計(jì)和印制線路板的布線，請(qǐng)參見ad1672產(chǎn)品說明。