簡(jiǎn)化電路設計的高通過(guò)率、高精度ADC-AD974

摘要：AD974是美國模擬器件公司生產(chǎn)的第一個(gè)200kSPS、4通道、16位數據采集系統。具有高通過(guò)率、低功耗、高精度等特性，此外，該器件還集成了外圍器件，并采用串行通訊方式，因而可極大地簡(jiǎn)化數據采集電路的設計，非常適合于體積小、信號復雜的應用系統，如工業(yè)控制、醫療儀器等。本文介紹了AD974的特點(diǎn)，結構及應用設計。

AD974是一個(gè)四通道、16位串行通訊數據采集模數轉換器。該器件內含模擬輸入多路轉換器、高速16位采樣模數轉換器和+2.5V參考電壓。

1 內部結構及引腳

AD974的內部功能框圖如圖1所示。該芯片有28腳的DIP、SOIC和SSOP三種封裝形式。引腳分布如圖2所示。各引腳的功能說(shuō)明見(jiàn)表1。

表1 AD974的主要引腳功能

2 AD974的特性

表2 通道選擇

AD974具有如下的特點(diǎn)：

●支持復雜的信號采集系統。具有四個(gè)單端的模擬輸入通道，能提供多種可設置的模擬輸入范圍，包括0V～4V、0V～5V或-10V～+10V；

●采用串行接口。與大多數微處理器的串行接口兼容，具有數據傳送效率高、數據連線(xiàn)少的特點(diǎn)；

●能保證常規的直流參數，如偏移、增益和線(xiàn)性等；同時(shí)也明確給定了SNR（信噪比）和THD（總諧波失真）等交流參數；

●采用模擬器件公司先進(jìn)的雙CMOS（BiCMOS）工藝制造，該工藝能將高性能雙極性器件與CMOS晶體管結合起來(lái)；

●可簡(jiǎn)化電路的設計，AD974由單電源+5V供電，并且只需較少的外圍電路。為了達到簡(jiǎn)化電路設計的目的，AD974內部還集成了模擬輸入多路轉換器、高速逐次逼近開(kāi)關(guān)電容ADC、時(shí)鐘電路和內部2.5V參考電壓電路等（參考電壓也可以由外部參考電路供應）；

●高通過(guò)率、低功耗。AD974可提供200kSPS的高通過(guò)率，而功率耗散最大卻只有120mW，因此其轉換速率可以高達2kSPS/mW。此外，在掉電模式下，AD974的功耗僅為50μW（典型值）。

3 應用設計

3.1 模擬輸入

AD974可以工作在三種不同的滿(mǎn)量程模擬輸入范圍，圖3中的（a）、（b）、（c）分別給出的-10V～+10V、0V～5V和0V～4V時(shí)模擬輸入與VXA、VXB之間的連接方式及額定輸入阻抗。AD974具有兩個(gè)模擬地（AGND1、AGND2）。而模擬輸入是以AGND1引腳為參考的。

使用具有一定阻抗的模擬輸入電路時(shí)，AD974可以由各種模擬放大器驅動(dòng)。但為減小失真，非常有必要仔細選擇驅動(dòng)電路的運放。圖4為AD974片內簡(jiǎn)化了模擬輸入電路。

3.2 轉換控制

AD974的模數轉換由R/C、CS兩信號來(lái)控制。在R/C降為低電平時(shí)，若CS也為低電平，在至嫠經(jīng)過(guò)50ns后，輸入信號將被保留在內部的電容陣列上并準備開(kāi)始轉換。一旦轉換開(kāi)始，BUSY信號將變?yōu)榈碗娖街钡睫D換完畢。圖5給出了基本的轉換時(shí)序圖。在內部，信號R/C和CS需進(jìn)行或操作，但是對啊一信信號先變?yōu)榈碗娖阶鰹殚_(kāi)始轉換的標志并沒(méi)有嚴格要求。唯一的要求是這兩個(gè)信號變?yōu)榈碗娖降臅r(shí)間延遲不得少于10ns。轉換完畢后，BUSY信號返回高電平，另一方面，AD974準備下一次轉換以確保能繼續跟蹤輸入信號。在某些情況下，將CS引腳保持低電平，而將R/C用于決定是開(kāi)始轉換還是讀取數據。需要指出的是，在A(yíng)D974上電后進(jìn)行首次轉換時(shí)，其DATA輸出將是不確定的，轉換輸出需要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間之后才能穩定下來(lái)。模數轉換可以使用由AD974的內部時(shí)鐘，也可以使用外部時(shí)鐘，這并不影響轉換結果的連續性。如果EXT/INT為低電平，則AD974被設置為內部數據移位時(shí)鐘模式；相反，如果EXT/INT為高電平，則AD974被設置為外部數據移位時(shí)鐘模式。

4 應用舉例

利用AD974與微處理器的接口電路可以很方便地測量傳統的直流信號，如果與數字信號處理器接口，則更適合于交流信號的處理。AD974了容易與絕大多數微處理器的串行或I/O端口連接。適當使用外部緩沖可以避免數字噪聲進(jìn)行模數轉換器中。

4.1 與SPI的接口

圖6是AD974與帶串行外圍接口（SPI）的微控制器的接品電路框圖。該接口電路采用外部時(shí)鐘模式（EXT/INT=1），轉換脈沖來(lái)自于微控制器，AD974在該系統中做為從設備。轉換脈沖的初始化可以通過(guò)響應內部時(shí)鐘中斷而進(jìn)行。輸出數據的讀取可以根據轉換信號的結束標志（變?yōu)楦唠娖剑﹣?lái)初始化。

4.2 與ADSP2181的接口電路

圖7是AD974與ADSP2181數字信號處理器的接口電路框圖。在該數字采集信號系統中，AD974采用內部時(shí)鐘模式（EXT/INT=0），轉換命令由外部振蕩器提供。對于A(yíng)DSP2181，SPORT可以看作非連續時(shí)鐘，為了使SPORT時(shí)鐘與外部非連續時(shí)鐘保持同步，在數據讀取操作的準備階段必須采取以下步驟：

（1）通過(guò)系統控制寄存器，啟用SPORT0；

（2）將SCLK分頻寄存器置0；

（3）通過(guò)將PFTYTE中與PF0和PF1的對應位分別置0和1而將PF0和PF1設置為輸出端口；

（4）通過(guò)PF0將RFS0置為低電平。然后通過(guò)程序把接收幀同步脈沖設置為高電平有效；

（5）通過(guò)PF1將CS置為低電閏，啟動(dòng)AD974進(jìn)行轉換；

（6）通過(guò)IMASK寄存器啟用SPORT0接收中斷；

（7）等待至少一個(gè)以上的轉換周期，忽略被接收的數據；

（8）通過(guò)PF1將CS置為高電平，禁止AD974進(jìn)行轉換；

（9）等待大約一個(gè)轉換周期；

（10）通過(guò)PF0將RFS0置為高電平；

（11）通過(guò)PF1將CS置為低電平，啟動(dòng)AD974進(jìn)行轉換。

這樣，在隨后的轉換過(guò)程中，ADSP2181的SPORT0就會(huì )與外部非連續時(shí)鐘保持同步。

5 結束語(yǔ)

AD974是一款新穎的高精度、高速模數轉換器，它在設計上的許多特性可為用戶(hù)的使用帶來(lái)極大便利。AD974適合于大多數數字信號采集系統。隨著(zhù)該產(chǎn)品的推廣，相信它在工業(yè)控制、醫療儀器等方面的應用交更加普遍。