流水線(xiàn)型ADCMAX1200及其與DSP的接口

摘要：新型的流水線(xiàn)結構模數轉換技術(shù)是實(shí)現高速、高精度、低功耗的數據轉換的新技術(shù)。介紹16位MAX1200的結構、原理及其在高速數據采集系統中與DSP的接口及應用，可對流水線(xiàn)型ADC有實(shí)頻了解。

1 概述

為了適應計算機、通信和多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展以及高新技術(shù)領(lǐng)域的數字化進(jìn)程不斷加快，ADC在工藝、結構、性能上都有了很大進(jìn)步，正在朝著(zhù)低功耗、高速、高分辨率的方向發(fā)展。新型的流水線(xiàn)結構是實(shí)現高速低功耗ADC的新型有效的方法。MAX1200就是采用這一新技術(shù)的高速、高精度、低功耗ADC的代表。

MAX1200是16位，具有采樣率可達1 Msps的單片集成模數轉換器，內部CMOS積分電路采用全差分多級流水線(xiàn)結構，并且具有快速的數字誤差校正和自校準功能；保證在全采樣率時(shí)具有16位的線(xiàn)性度和直到奈奎斯特頻率的91dB的非那時(shí)散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）、良好的信噪比（SNR）和諧波失真（THD）。MAX1200主要應用于高分辨率圖像系統、掃描儀、數字通信、檢測儀表和數據接收等領(lǐng)域。其主要技術(shù)特性如下：

*單電源+5V供電；

*±VREF差分輸入，正向參考電壓RFPF由外部+4.906V電壓基準提供，負向參考電壓RFNF接至模擬地；

*輸入信號fin=100kHz時(shí)，信噪比為87 dB；

*輸入信號fin=100kHz時(shí)，非雜散動(dòng)態(tài)范圍為91dB；

*1Msps，+5V供電時(shí)功耗273mW；

*±0.5LSB差分非線(xiàn)性誤差；

*三態(tài)、二進(jìn)制補碼輸出；

*快速、可控自校準功能；

*44腳MQFP封裝。

表1為引腳說(shuō)明

表1 引腳說(shuō)明

2 工作原理

流水線(xiàn)型（pipeline）ADC又稱(chēng)為子區式ADC，由級聯(lián)的若干級電路組成。每一級包括1采樣/保持放大器，1個(gè)低分辨率持ADC和DAC，以及1個(gè)求和電路，其中求和電路包括可提供增益的級間放大器?？焖倬_的n位轉換器分為兩段以上的子區（流水線(xiàn)）來(lái)完成。每級電路的采樣/保持器對輸入信號取樣后，先由1個(gè)m位分辨率的粗A/D轉換器對輸入進(jìn)行量，接著(zhù)用1個(gè)至少n位精度的乘積型數模轉換器（MDAC）產(chǎn)生1個(gè)對應于量化結果的模擬電平送至求和電路，求和電路從輸入信號中減掉此模擬電平，并將差值精確放大某一固定增益后送交下一級電路處理。經(jīng)過(guò)各級這樣的處理后，最后由1個(gè)較高精度的k位細A/D轉換器對殘余信號進(jìn)行轉換。將上述各級粗、細A/D的輸出組合起來(lái)構成高精度的n位輸出；同時(shí)必須滿(mǎn)足以下不等式，以便糾正重疊錯誤：

l·m+k>n

其中，l為級數，m為各級中ADC的粗分辨率，k為精細ADC的細分辨率，而n是流水線(xiàn)ADC的總分辨率。圖1所示為MAX1200的4級流水線(xiàn)ADC的原理圖及每級內部結構圖。

圖1中m=8，l=4，n=16。由于采用的開(kāi)關(guān)電容流水線(xiàn)結構中存在開(kāi)關(guān)電容之間的失配問(wèn)題，所以整個(gè)電路的精度由校正和校準邏輯控制。流水線(xiàn)結構的4個(gè)采樣過(guò)程在輸入信號被采樣和數據輸出到D15～D0之間引入的等待時(shí)間，也就是流水線(xiàn)的延遲時(shí)間；但是，在連續采樣的情況下可以獲得連續的輸出，只是輸出數據是前面的采樣輸出。時(shí)序如圖2所示。

總地來(lái)說(shuō)，流水線(xiàn)ADC不但簡(jiǎn)化了電路設計，還具有如下優(yōu)點(diǎn)：

①每一級的冗余位優(yōu)化了重疊誤差的糾正，具有良好的線(xiàn)性和低失調；

②每一級具有獨立的采樣/保持放大器，前一級電路的采樣/保持可以釋放出來(lái)用于處理下一次采樣，因此，允許流水線(xiàn)各級同時(shí)對多個(gè)采樣進(jìn)行處理，從而提高了信號的處理速度，典型的為T(mén)conv100ns。

③功耗低；

④很少有比較器進(jìn)入亞穩態(tài)，從根本上消除了火花碼和氣泡，從而大大減少了ADC的誤差；

⑤多級轉換提高了ADC的分辨率。

（1）輸入模擬信號

全差分的開(kāi)關(guān)電容電路（SC）用來(lái)控制參考電壓和模擬輸入，如圖3所示。采用差分輸入信號比單端輸入具有更好的THD和SFDR性能，并且具有兩倍的信號量程、普通模式下的抗干擾性提高、有效地消除偶次諧波、對輸入信號的放大器預處理要求不高等優(yōu)點(diǎn)。如果使用單端輸入，負輸入引腳INN連接到普通模式電壓引腳CM上，輸入模擬信號接正輸入端INP。為了充分利用ADC的直到奈奎斯特頻率的優(yōu)良的AC特性，應盡量采用差分輸入方式?？梢酝ㄟ^(guò)電路轉換將單端輸入轉換成差分輸入。如圖4所示，利用低噪聲、寬帶的運算放大器MAX4108可以保證MAX1200輸入信號在全功率帶寬范圍的信號純凈。為提高信噪比減小信號失真，在輸入信號進(jìn)入ADC之前，可采用低通或帶通濾波器調理輸入信號。通常對于低頻輸入信號（100kHz）可采用有源濾波器，高頻輸入信號則采用無(wú)源濾波器。

（2）參考電壓

選擇低噪聲的參考電壓可以提高良好的負載穩定性和低的溫度漂移。MAX1200的參考電壓驅動(dòng)大約1kΩ的片上電阻和21pF的開(kāi)關(guān)電容。為了滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)特性的要求，參考電壓要在一個(gè)時(shí)鐘周期內穩定在0.0015%，因而要設計恰當的驅動(dòng)電路，如圖5所示。參考電壓也可采用單端輸入或圖3所示的差分輸入，參考電壓不可高于模擬電壓AVDD或低于地。參考電壓引腳處的電容用來(lái)提供每一時(shí)鐘周期內的動(dòng)態(tài)電荷，這些電容必須具有低的電解質(zhì)吸收性能；運算放大器MAX410可以保證參考信號的精度。通常典型的正參考電壓RFPF可由4.096V的驅動(dòng)電壓基準（如MAX6341）提供，負參考電壓可直接和模擬地相連，這樣可達到最佳的信噪比。如果系統對THD性能的要求比SNR更為重要，那么可選擇差分電壓VRFPS=+3.5V，VRENS=+1.5V。普通模式電壓引腳CM對ADC的性能影響很大，采用VCM=(VRFPS+VRFNS)/2，可以保證有很好的動(dòng)態(tài)性能。圖5所示VCM可采用分壓得到。

（3）時(shí)鐘

流水線(xiàn)型ADC通常需要50%占空比的時(shí)鐘，MAX1200采用圖6所示的電路來(lái)產(chǎn)生所需的時(shí)鐘。

在這里，時(shí)鐘發(fā)生器與信號源要有匹配的頻率范圍、振幅、壓擺率。如果輸入信號的壓擺率很小，那么，時(shí)鐘抖動(dòng)可以忽略；如果信號的壓擺率很高，則時(shí)鐘的抖動(dòng)應該限制到最小。因為，對于全振幅輸入的正弦波可能達到的最大信噪比取決于時(shí)鐘的抖動(dòng)：

采用圖6所示的低噪聲和低相位噪聲的信號發(fā)生器，可以獲取需要的時(shí)鐘。

（4）校標功能

流水線(xiàn)操作采用低分辨率的乘積型數模轉換器（MDAC），其內部的開(kāi)關(guān)電容存在失配問(wèn)題，因而MAX1200的精度受限于MDAC的精度。MAX1200具有自校準功能，可將電容之間的失配情況進(jìn)行計算并存儲在片上存儲器中，以便應用于對輸入信號的校準中。在校準過(guò)程中，首先，時(shí)鐘必須連接工作，ST_CAL由一最小寬度為4倍時(shí)鐘周期但不超過(guò)17 400個(gè)時(shí)鐘周期的正脈沖觸發(fā)，可與時(shí)鐘開(kāi)行輸入。當ST_CAL觸發(fā)1～2個(gè)時(shí)鐘周期后，END_CAL變?yōu)榈碗娖讲⒈３值叫式Y束。在這一期間參考電壓必須保持穩定在0.01%，否則校準是無(wú)效的。在校準過(guò)程中，模擬輸入INP和INN一般不接入信號，但如果接入靜態(tài)輸入可以獲得更好的校準性能。一旦END_CAL變高則意味著(zhù)校準結束，此時(shí)ADC進(jìn)入模數轉換狀態(tài)。具體時(shí)序如圖7的慰。校準結束后，MAX1200對電源±5%的變化或溫度的變化都不敏感，但當溫度變化超過(guò)±20℃時(shí)則需要重新校準。

3 MAX1200與DSP的接口

這里，采用美國TI公司的TMS320F206（以下簡(jiǎn)答F206）。F206是一種低價(jià)格、高性能16位定點(diǎn)DSP，目前已廣泛應用于圖形圖像處理、語(yǔ)音處理、儀器儀表、通信、多媒體及軍事等領(lǐng)域。F206運算速度較快（可達40MIPS），功能較強，源代碼與'C1x、'C2x兼容，且與'5x向上兼容，片內外設向TMS320C5x靠攏。其內部采用程序和數據分開(kāi)的哈佛結構，具專(zhuān)門(mén)的硬件乘法器，采用了四級流水線(xiàn)操作，提供了特殊的DSP指令，可以快速實(shí)現各種處理算法。圖8為MAX1200的外圍電路及與F206的接口電路。

下面給出應用DSP進(jìn)行ADC數據采集的程序：

.title "MAX1200 ADC";標題

.copy "init.h" ;變量和寄存器定義

.copy "vector.h" ；矢量標號定義

.text ;代碼段

F206系統初始化

start:clrc cnf ;映射塊B0到數據存儲區

ldp #0h ;頁(yè)指針設置為0

setc intm ;關(guān)中斷

splk #0000h,60h

out 60h,wsgr ;設置0等待周期

*設置中斷*

splk #0ffffh,ifr ;中斷標志復位

splk #0001h,imr ;設置INT1中斷有效

splk #0010h,60h

out 60h,icr ;設置中斷模式

*設置IO口輸入輸出狀態(tài)*

splk #0c004h,60h ;設置IO2為輸出，IO3為輸入

out 60h,aspcr

*設置從ADC的接收數據存放位置及數據長(cháng)度*

lar ar1,#rxbuf ;接收數據從0300h單元開(kāi)始存放

lar ar0,#size ;接收數據長(cháng)度0020h個(gè)數據

mar *,ar1 ；設置AR1為當前輔助寄存器

*控制ADC的OE，啟動(dòng)自動(dòng)校準，等待校準完畢后接收數據*

splk #00f4h,61h

out 61h,iosr ;設置ST_CAL=，啟動(dòng)ADC自動(dòng)校準

in 62h,iosr ;等待自動(dòng)校準完畢

bit 62h,8

wait:bcnd wait,ntc ；自動(dòng)校準正在進(jìn)行

clrc tc ;自動(dòng)校準完畢，清除TC

clrc intm ；打開(kāi)總中斷

loop:idle

b loop;

*INT1中斷服務(wù)程序——接收、存儲數據*

inpt1:in *+,000h ;接收數據并存儲到輔助寄存；器所指示數據存儲單元

mar *,ar0

banz skip,ar1

lar ar1,#rxbuf

lar aro,#size

skip:clrc intm

ret

.end ;程序結束

4 小結

利用流水線(xiàn)型ADC可以實(shí)現高速精度的模數轉換，這一技術(shù)是新型ADC的代表。MAX1200的原理特性及其與DSP的配合使用，可將高速、高精度、低功耗的數字采集系統廣泛地應用于數字通信、高分辨率圖像系統、掃描儀等各種數字化系統中。