高速８位ADCs MAX155/MAX156的原理及應(yīng)用

關(guān)鍵詞：MAX155/MAX156；ADCs；跟蹤／保持

美國ＭＡＸＩＭ公司推出的高速、８位、多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ＡＤＣｓ）ＭＡＸ１５５和ＭＡＸ１５６分別有８個(gè)模擬輸入通道和４個(gè)模擬輸入通道，每個(gè)通道都帶有自己的跟蹤／保持電路，所有的跟蹤保持采樣可同時(shí)進(jìn)行，因而可以減小各通道的采樣時(shí)間差異。每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間為３．６μｓ，并能將結(jié)果存在內(nèi)部的８８ＲＡＭ中。在單電源＋５Ｖ供電時(shí)，ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６可工作于單極或雙極性、單端或差分等形式的轉(zhuǎn)換電路中。如果需要更寬的電壓范圍或正負(fù)雙極性轉(zhuǎn)換，芯片必須由５Ｖ供電。ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６的另一個(gè)特性是具有２．５Ｖ的內(nèi)部參考電壓和電源關(guān)斷功能，這樣就提供了一個(gè)完善的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖1

１　芯片介紹

１．１ 芯片引腳定義

ＭＡＸ１５５采用２８腳ＤＩＰ和寬ＳＯ兩種封裝，ＭＡＸ１５６則采用２４腳窄塑料ＤＩＰ和２８腳寬ＳＯ封裝，它們的引腳排列如圖１所示。

１．２ 特點(diǎn)參數(shù)

ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６的主要特點(diǎn)和工作參數(shù)如下?

●多輸入通道? 具有４個(gè)或８個(gè)同步跟蹤保持采樣輸入通道；

●輸入方式：具有單端、差分輸入以及單極性或雙極性輸入方式；

●內(nèi)部參考電壓：２．５Ｖ；

●配置方式：混合輸入配置；

●轉(zhuǎn)換時(shí)間：每通道３．６μｓ；

●線性誤差? １ＬＳＢ?最大?；

●參考輸入電壓：２．５Ｖ?典型?；

●參考輸出電壓：２．５Ｖ?典型?；

●直流輸入電阻：１０ＭΩ；

●外部時(shí)鐘頻率：０．５～５ＭＨｚ；

●電源供電方式?單５Ｖ或雙５Ｖ供電；

●工作溫度：０～＋７０℃。

２ 工作原理

２．１ 芯片結(jié)構(gòu)圖

ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６內(nèi)部包含一個(gè)３．６μｓ的逐次逼近ＡＤＣ和８／４個(gè)跟蹤保持輸入端。當(dāng)轉(zhuǎn)換開始時(shí)?所有的模擬輸入端同時(shí)采樣?而且無論轉(zhuǎn)換是否被選擇，所有的通道都進(jìn)行采樣。ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６既可進(jìn)行單通道也可進(jìn)行多通道轉(zhuǎn)換，且通道可以配置為混合輸入。它們的轉(zhuǎn)換結(jié)果被存入片內(nèi)ＲＡＭ中，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖２所示（以ＭＡＸ１５５為例，ＭＡＸ１５６類似）。

在ＷＲ端加一個(gè)脈沖即可啟動(dòng)ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６的轉(zhuǎn)換。在ＷＲ的上升沿，ＭＵＸ配置寄存器數(shù)據(jù)；在ＷＲ的下降沿，所有的通道開始采樣。訪問轉(zhuǎn)換結(jié)果可用連續(xù)的ＲＤ脈沖讀出，并可自動(dòng)從通道０開始順序訪問ＲＡＭ。每一個(gè)ＲＤ脈沖會(huì)使ＲＡＭ的地址計(jì)數(shù)器加１。在多通道轉(zhuǎn)換中，當(dāng)ＷＲ變?yōu)榈蜁r(shí)，ＲＡＭ地址計(jì)數(shù)器復(fù)位到０。在裝載ＲＡＭ地址（Ａ０～Ａ２）的同時(shí)使Ｄ４／ＩＮＨ為１，可設(shè)置地址并禁止轉(zhuǎn)換，此時(shí)執(zhí)行一條讀操作可以讀出ＲＡＭ的任一地址。

２．２ 模式配置

ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６根據(jù)應(yīng)用場合的不同要求?可以設(shè)置為兩種模式?輸入／輸出模式和硬連線模式。

(１) 輸入／輸出模式

當(dāng)ＭＯＤＥ輸入端開路時(shí)，為輸入／輸出配置模式。在輸入／輸出配置模式中，ＭＵＸ配置寄存器用于決定轉(zhuǎn)換的類型。在ＷＲ的上升沿，寄存器被更新。在轉(zhuǎn)換開始后，ＢＵＳＹ端變低，轉(zhuǎn)換從選定的最低通道開始順序進(jìn)行。當(dāng)ＢＵＳＹ變高以后，轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)到ＲＡＭ中。在轉(zhuǎn)換結(jié)束后，微處理器可以用連續(xù)的ＲＤ脈沖訪問ＲＡＭ中的數(shù)據(jù)。第一次讀出的數(shù)據(jù)是最低通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果，后續(xù)的脈沖將順序讀出余下通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

(２) 硬連線模式

對于較簡單的應(yīng)用場合，ＭＯＤＥ和ＶＳＳ端的連線可用來指定轉(zhuǎn)換的類型，在這種連線模式下，一般不使用配置寄存器，所以Ｄ０～Ｄ７端的輸入數(shù)據(jù)被忽略。以ＭＡＸ１５５為例，ＭＯＤＥ端連接到低電平時(shí)，在ＷＲ脈沖作用下，系統(tǒng)將啟動(dòng)８通道的單端轉(zhuǎn)換；而當(dāng)ＭＯＤＥ端連接到高電平時(shí)，在ＷＲ脈沖的作用下，系統(tǒng)將啟動(dòng)４通道差分轉(zhuǎn)換。實(shí)際上?在Ｄ０～Ｄ７端出現(xiàn)的數(shù)據(jù)一般不會(huì)影響到配置寄存器。

３　電路比較

在實(shí)際測控和儀表應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)遇到要求多路數(shù)據(jù)信號同時(shí)進(jìn)行采集的情況。而以往的Ａ／Ｄ采樣轉(zhuǎn)換芯片，雖然可進(jìn)行多路Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，但各個(gè)通道的采樣轉(zhuǎn)換是依次進(jìn)行的，不能保證各通道的同時(shí)采樣轉(zhuǎn)換。這種方式下的解決辦法有兩種：一種是采用單路Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換芯片，并在外部另加采樣保持器，接著將各路輸入信號同時(shí)進(jìn)行采樣保持，然后再采用多路選擇器逐次選擇各通路，最后再送入到單路Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換中去。另一種是采用多路Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換芯片，該方法只是在上述電路中省去了多路轉(zhuǎn)換器?這樣能保證各路信號的同時(shí)采樣，圖３所示是采用傳統(tǒng)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換芯片時(shí)的實(shí)現(xiàn)方式。

雖然圖３電路能保證各個(gè)通道的信號同時(shí)采樣，但是也存在一些缺點(diǎn)：

(１)使用這種方法時(shí)，每個(gè)信號通道必須外加一個(gè)采樣保持器，因而所用器件較多。

(２)電路控制比較復(fù)雜，實(shí)時(shí)性不強(qiáng)。

(３)大量器件在印制電路板上占用空間，既增加了布線的困難，又增加了制板的費(fèi)用。

(４)系統(tǒng)所用的元器件較多，不利于進(jìn)一步提高集成度，而且易受干擾。

因此，采用ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６實(shí)現(xiàn)多路信號的同時(shí)采樣是非常適合的。

此外，這種電路還有如下優(yōu)點(diǎn)：

(１)每個(gè)通道有自己的跟蹤／保持電路，所有的跟蹤／保持采樣可同時(shí)進(jìn)行，而且元件數(shù)量比較少，從而使電路板占用的空間大大減少。

(２)ＡＤＣ轉(zhuǎn)換器每個(gè)通道轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為３．６μｓ，因而實(shí)時(shí)性很強(qiáng)。

(３)可進(jìn)行單極或雙極性、單端或差分等形式的轉(zhuǎn)換，應(yīng)用范圍廣。

(４)根據(jù)應(yīng)用場合的不同要求?可以設(shè)置輸入／輸出模式和硬連線模式，因而適應(yīng)性較強(qiáng)。

(５)芯片Ｔ／Ｈ放大器的輸入阻抗很高，一般不需要輸入緩沖。

(６)能夠用軟件改變配置寄存器來適應(yīng)信號的不同要求，而且設(shè)計(jì)簡單，控制容易。

(７)集成度高，電路不易受干擾。

４　應(yīng)用實(shí)例

信號采集系統(tǒng)是工業(yè)對象檢測、控制的重要環(huán)節(jié)。只有正確地將現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集回來才能進(jìn)行分析、處理。在工業(yè)對象仿真監(jiān)控裝置中，通常由現(xiàn)場傳感器獲得各類信號，經(jīng)預(yù)處理電路濾波并使其電壓值達(dá)到Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的電壓輸入范圍后，送入Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的采集通道。由于本系統(tǒng)不但要求采集現(xiàn)場參數(shù)，而且還包括隨機(jī)干擾和確定性干擾等擾動(dòng)信號，所以對Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的多通道采樣的同時(shí)性要求很高，ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６Ａ正好滿足這種要求。

將ＭＡＸ１５６的ＭＯＤＥ端懸空、Ｖｓｓ接－５Ｖ可選擇正負(fù)雙極性轉(zhuǎn)換的輸入／輸出模式。ＡＴ８９Ｃ５２作為微處理器，主要用來控制ＭＡＸ１５６按實(shí)際需要進(jìn)行單極或雙極性、單端或差分等各種形式的轉(zhuǎn)換，各引腳連接如圖４所示。圖中，四路采樣信號ＶＩＮ１～ＶＩＮ４經(jīng)過預(yù)處理后，經(jīng)限幅電路可分別輸入到ＭＡＸ１５６的四個(gè)模擬輸入端ＡＩＮ１～ＡＩＮ４。ＭＡＸ１５６的外部時(shí)鐘范圍為０．５～５ＭＨｚ，所以，電路中將單片機(jī)ＡＴ８９Ｃ５２的外部時(shí)鐘頻率１１．０５９ＭＨｚ，通過４位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器７４ＬＳ９３進(jìn)行四分頻后，送入ＭＡＸ１５６的外部時(shí)鐘端。采樣轉(zhuǎn)換時(shí)，ＡＴ８９Ｃ５２給出一個(gè)ＷＲ脈沖，并在ＷＲ的下降沿開始轉(zhuǎn)換，此時(shí)ＡＤＣ的ＲＡＭ地址計(jì)數(shù)器復(fù)位到０，在轉(zhuǎn)換結(jié)束后，ＡＴ８９Ｃ５２通過連續(xù)ＲＤ的脈沖順序讀出ＲＡＭ中的數(shù)據(jù)。第一次讀出的是最低通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果，后續(xù)ＲＤ脈沖順序讀出余下通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

圖4

在使用ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６時(shí)，根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：

（１）內(nèi)部的２．５ Ｖ基準(zhǔn)源輸出端（ＲＥＦＯＵＴ）必須通過１個(gè)４．７μＦ的電解電容和１個(gè)０．１μＦ的瓷片電容旁路到模擬地，以保證器件的穩(wěn)定性。

（２）如果在ＲＥＦＩＮ端接入外部基準(zhǔn)源，那么ＲＥ-ＦＯＵＴ必須接旁路電容，或者將ＲＥＦＯＵＴ端連接到ＶＤＤ，這樣可以防止振蕩輸出和在ＡＤＣ中產(chǎn)生轉(zhuǎn)換噪聲，這樣做的缺點(diǎn)是電源關(guān)斷模式中的電流會(huì)比給定值大２５０μＡ。

（３）為了減小耗盡電流?ＭＡＸ１５６內(nèi)部的參考電壓在電源關(guān)斷期間將被關(guān)閉。當(dāng)恢復(fù)正常運(yùn)行?ＰＤ＝０?時(shí)?需要約５ｍｓ的時(shí)間，以使參考電壓在轉(zhuǎn)換執(zhí)行前給其４．７μＦ旁路電容充電。如果采用一個(gè)外部參考電壓?并且在電源關(guān)斷期間一直保持?那么，在設(shè)置ＰＤ為０后的５０μｓ內(nèi)，轉(zhuǎn)換就能開始。

（４）ＶＤＤ應(yīng)通過１個(gè)４．７ μＦ的電解電容和１個(gè)０．１μＦ的瓷片電容接到模擬地。如果輸入信號低于地電平，必須使用負(fù)電源，在這種情況下?ＶＳＳ應(yīng)通過１個(gè)４．７μＦ的電解電容和１個(gè)０．１μＦ的瓷片電容接到模擬地，這樣可保持供電電壓的穩(wěn)定。

（５）內(nèi)部參考電壓需要４．７μＦ和０．１μＦ的電容來并聯(lián)旁路。如果用外部參考電壓?就需要在緊挨著芯片處通過一個(gè)４．７μＦ電容旁路ＲＥＦＩＮ到模擬地? 也就是說，ＲＥＦＯＵＴ必須保持旁路到模擬地或者接ＶＤＤ。

（６）由于ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６的Ｔ／Ｈ放大器的輸入阻抗很高，因此，通常不再需要輸入緩沖電路。而且ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６的所有Ｔ／Ｈ可同時(shí)采樣。為了得到最佳的轉(zhuǎn)換結(jié)果，模擬輸入不應(yīng)高于ＶＤＤ＋５０ ｍＶ或低于ＶＳＳ－５０ｍＶ。

（７） 采集一個(gè)通道的輸入信號所需要的時(shí)間取決于通道輸入電容充電的速度。如果輸入信號的源阻抗很高，那么采集時(shí)間就比較長，在這種情況下，兩次轉(zhuǎn)換之間的間隔時(shí)間應(yīng)長一些，采集時(shí)間一般不小于８００ｎｓ。其采集時(shí)間ｔＡＣＱ的計(jì)算公式如下?

ｔＡＣＱ＝８?ＲＳ＋ＲＩＮ?４ｐＦ（不小于８００ｎｓ）

其中，ＲＩＮ應(yīng)選為１５ｋΩ，ＲＳ為輸入信號源電阻

轉(zhuǎn)換時(shí)間ｔＣＯＮＶ則可由下式?jīng)Q定：

ｔＣＯＮＶ＝?２９Ｎ?／ｆＣＬＫ

其中，Ｎ是轉(zhuǎn)換通道數(shù)，ｆＣＬＫ是外部時(shí)鐘。