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ADS7817是一个12位差分输入微功耗采样模数转换器

时间:2019-9-19, 来源:互联网, 文章类别:元器件知识库

ADS7817是一个12位,200kHz采样模数转换器,具有高阻抗全差分模拟输入。参考电压可以在100毫伏到2.5伏之间变化,相应的输入分辨率在49微伏到1.22毫伏之间。

差分输入、低功耗、自动断电和小尺寸使ADS7817非常适合直接连接电池供电系统中的传感器、远程数据采集或多通道应用。ADS7817提供塑料迷你DIP-8、SO-8或MSOP-8封装。

操作理论

ADS7817是一种典型的逐次逼近寄存器(SAR)模数转换器。该体系结构基于电容再分配,电容再分配本质上包括采样/保持功能。该转换器采用0.6μcmos工艺制造。该架构和过程允许ADS7817以每秒高达200000次的转换速度获取和转换模拟信号,同时消耗很少的功率。

ADS7817需要一个外部基准、一个外部时钟和一个+5V电源。外部参考电压可以是100mv到2.5v之间的任何电压。参考电压的值直接设置模拟输入的范围。参考输入电流取决于ADS7817的转换率。

外部时钟可以在10kHz(625Hz吞吐量)和3.2mHz(200kHz吞吐量)之间变化。时钟的占空比基本上不重要,只要最小的高、低时间至少为150ns。最小时钟频率由ADS7817内部电容器上的泄漏设置。

模拟输入提供给两个输入引脚:+in和–in。当转换开始时,这些引脚上的差分输入在内部电容器阵列上采样。在转换过程中,两个输入都与任何内部函数断开连接。

转换的数字结果由dclock输入计时,并在dout pin上以串行方式(最有效位优先)提供。dout pin上提供的数字数据用于当前正在进行的转换,没有管道延迟。转换完成后,可以继续对ads7817进行时钟计时,并首先获得串行数据的最低有效位。

模拟输入

模拟输入是双极性和全差分的。驱动ADS7817模拟输入的一般方法有两种:单端或差分(见图1)。当输入为单端时,–in输入保持在固定电压。输入端的+在同一电压附近摆动,峰间振幅为2•vref。VREF的值决定了公共电压可能变化的范围(见图2)。

当输入为差分时,输入的振幅是+in和–in输入或+in-(–in)之间的差。电压或信号对这两个输入都是公共的。每个输入的峰值振幅是这个公共电压的Vref。然而,由于输入为180°异相,因此差分电压的峰间振幅为2•vref。VREF的值还决定了两个输入可能共用的电压范围(见图3)。

在每种情况下,应注意确保驱动+输入和-输入的源的输出阻抗匹配。如果没有观察到这一点,两个输入可能有不同的沉降时间。这可能会导致偏移误差、增益误差和线性误差,这些误差随温度和输入电压的变化而变化。如果阻抗不能匹配,可以通过给ADS7817更多的采集时间来减小误差。

模拟输入上的输入电流取决于许多因素:采样率、输入电压和源阻抗。本质上,进入ADS7817的电流在采样期间为内部电容器阵列充电。该电容充满电后,不再有输入电流。模拟输入电压源必须能够在1.5个时钟周期内将输入电容(15pF)充电至12位稳定水平。当转换器进入保持模式或在断电模式时,输入阻抗大于1gΩ。

必须注意绝对模拟输入电压。+输入应始终保持在GND–300毫伏至VCC+300毫伏的范围内。输入应始终保持在GND–300至4伏的范围内。在这些范围之外,转换器的线性可能不符合规范。

参考输入

外部参考设置模拟输入范围。ADS7817将在100伏至2.5伏的参考电压范围内工作。这有几个重要的含义。

随着参考电压的降低,每个数字输出码的模拟电压权重减小。这通常被称为lsb(最低有效位)大小,等于参考电压除以4096的两倍。这意味着,随着参考电压的降低,a/d转换器中固有的任何偏移或增益误差都将以lsb的大小来增加。典型的“偏移量变化对参考电压”和“增益变化对参考电压”的性能曲线提供了更多的信息。

随着lsb尺寸的减小,转换器固有的噪声也会增加。在参考电压为2.5V的情况下,转换器的内部噪声通常只对输出代码产生0.52LSB的峰间电位误差。当外部参考电压为100mv时,内部噪声的潜在误差贡献将是-13lsb的25倍。由内部噪声引起的误差本质上是高斯的,可以通过平均连续的转换结果来减小。

有关噪声的更多信息,请参考典型的性能曲线“有效比特数与参考电压”和“峰-峰噪声与参考电压”。注意,有效比特数(ENOB)数字是根据转换器的信号(噪声+失真)和1kHz、0dB的输入信号计算的。sinad与enob的关系如下:sinad=6.02•enob+1.76。

在参考电压较低的情况下,应特别注意提供干净的布局,包括足够的旁路、干净的电源、低噪声参考和低噪声输入信号。由于lsb的尺寸较小,转换器对外部误差源(如附近的数字信号和电磁干扰)也会更敏感。

外部引用必须提供的电流将取决于转换结果。负满标度(800h)时电流最低,在200kHz转换率(25°C)时通常为15微安。在相同条件下,随着模拟输入接近正满标度,电流将增加,在输出结果为7ffh时达到25μa。电流不会线性增加,但在某种程度上取决于数字输出的位模式。

基准电流随转换率和基准电压的增大而减小。由于来自基准的电流是在每个比特决定上提取的,所以在给定的转换期间更快地对转换器进行时钟计时不会减少来自基准的总电流消耗。参考电流随温度变化很小。有关更多信息,请参阅典型性能曲线部分中的曲线“参考电流与采样率”和“参考电流与温度”。

数字接口

串行接口

ADS7817通过同步3线串行接口与微处理器和其他数字系统通信,如图4和表1所示。dclock信号将数据传输与dclock下降沿上传输的每个位同步。大多数接收系统将捕获dclock上升沿上的比特流。但是,如果dout的最小保持时间是可以接受的,则系统可以使用dclock的下降沿来捕获每个位。

下降的cs信号启动转换和数据传输。转换周期的前1.5到2.0个时钟周期用于采样输入信号。在第二个下降的dclock边缘之后,dout被启用,并在一个时钟周期内输出一个低值。在接下来的12个dclock周期中,dout将首先输出转换结果(最高有效位)。输出最低有效位(b0)后,后续时钟将重复输出数据,但采用最低有效位优先格式。

在最高有效位(b11)被重复之后,dout将处于三态。后续时钟对转换器。只有当cs被设为高并返回低时,才会启动新的转换。

数据格式

ADS7817的输出数据是二进制2的补码格式。此表表示给定输入电压的理想输出代码,不包括偏移、增益误差或噪声的影响。

功耗

转换器的结构、半导体制造工艺和精心设计使ADS7817能够以高达200kHz的速率进行转换,同时只需要很少的功率。不过,对于绝对最低的功耗,有几件事要记住。

ADS7817的功耗与转换速率成正比。实现最低功耗的第一步是找到满足系统要求的最低转换率。此外,ADS7817在两种情况下处于断电模式:转换完成时和Cs很高(见图1)。理想情况下,每次转换应尽可能快地进行,最好是以3.2兆赫的时钟频率进行。这样,转换器在断电模式下花费的时间可能最长。这一点非常重要,因为转换器不仅在每个dclock转换上使用电源(对于数字cmos组件来说是典型的),而且还为模拟电路(例如比较器)使用一些电流。模拟部分持续耗散功率,直到进入掉电模式。

图6显示了ADS7817的电流消耗与采样率的关系。对于这个图,转换器是计时的。在3.2mhz时,无论采样率如何,在剩余的采样周期内cs都很高。图7还显示了当前消耗量与采样率的关系。然而,在这种情况下,dclock周期是采样周期的1/16,对于每16个dclock周期中的一个,cs较高。

转换完成后进入的断电模式和CS高时启用的完全断电模式之间有一个重要的区别。当模拟部分和数字部分都断电时,只有当CS高时才关机。因此,如果在转换结束时cs保持在低位,并且转换器持续计时,则功耗将不会低到当cs高时。有关更多信息,请参见图8。

通过降低参考电压,ADS7817需要较少的电流来为模拟输入和参考输入的内部电容器完全充电。应仔细权衡功耗的降低与参考章节中概述的噪声、偏移和增益误差的增加。

短周期

另一种省电的方法是利用cs信号来缩短转换周期。由于ADS7817在产生数据位时将最新的数据位放在输出线上,因此转换器很容易短周期工作。这个术语意味着转换可以随时终止。例如,如果只需要转换结果的8位,则在第8位被打卡后,可以终止转换(通过将cs拉高)。

在模拟信号被监测到某个条件变为真实之前,这种技术可以用来降低这些应用中的功耗。例如,如果信号在预定范围之外,则可能不需要完整的12位转换结果。如果是这样,转换可以在第一个n位之后终止,其中n可以低至3或4。这会降低转换器和系统其他部分的功耗,因为它们在掉电模式下花费的时间更多。

布局

为了获得最佳性能,应注意ADS7817电路的物理布局。如果参考电压低和/或转换率高,则尤其如此。在200khz转换率下,ads7817每312ns进行一次比特判决。也就是说,对于每一个随后的比特决定,数字输出必须与最后比特决定的结果一起更新,电容阵列适当地被切换和充电,比较器的输入在一个时钟周期内被设置为12位电平。

基本的合成孔径雷达结构对电源、参考和接地连接上的峰值非常敏感,这些峰值发生在锁定比较器输出之前。因此,在N位合成孔径雷达变换器的任何一次转换过程中,都有N个“窗口”,其中较大的外部瞬态电压容易影响转换结果。这些尖峰可能源于开关电源、数字逻辑和高功率设备,举几个例子。如果故障几乎与转换器的dclock信号同步,由于两者之间的相位差随着时间和温度的变化而变化,从而导致偶尔的误操作,则很难追踪到这一特定的误差源。

考虑到这一点,ADS7817的电源应该是干净的,并被很好地绕过。0.1μf陶瓷旁路电容器应尽可能靠近ADS7817封装。此外,1至10μf电容器和10Ω串联电阻器可用于低通滤波器噪声电源。

同样,应使用0.1μf电容器绕过基准。再次,串联电阻和大电容可以用来低通滤波器的参考电压。如果参考电压源于运放,请注意运放可以驱动旁路电容器而不产生振荡(在这种情况下,串联电阻可以提供帮助)。请记住,虽然ADS7817平均从参考电路中提取的电流很少,但对外部参考电路的瞬时电流要求更高。

此外,请记住,ADS7817不提供与参考输入有关的噪声或电压变化的固有抑制。当参考电压来自电源时,这一点尤为重要。来自电源的任何噪声和纹波如果没有被外部参考电路拒绝,将直接出现在数字结果中。虽然高频噪声可以如前一段所述被滤除,但由于线路频率(50赫兹或60赫兹)引起的电压变化可能难以消除。

ADS7817上的接地引脚应放置在干净的接地点。在许多情况下,这将是“模拟”接地。避免将接地引脚连接得太靠近微处理器、微控制器或数字信号处理器的接地点。如果需要,直接从转换器到电源连接点进行接地跟踪。理想的布局将包括转换器和相关模拟电路的模拟接地平面。

应用电路

图9、10和11显示了ADS7817的一些典型应用电路。图9显示了用于基本数据采集的低成本、低功耗电路。ADS7817和参考电路的总功耗在温度、电源变化和200kHz采样率下低于5mW。

图10是一个电机控制应用程序,使用三个iso130s将电机与传感系统隔离(三个ads7817s和一个dsp56004)。iso130提供10kv/μs(最小)隔离模式抑制、85khz大信号带宽和8的固定增益。ADS7817的参考电压为1.2V,源自REF1004-1.2。这使转换器的满标度输入范围为±1.2v。由于iso130的增益为8,电流感应电阻应提供小于±150mv的蜗壳输出电压。

图11是一个类似的应用程序,它将三个ADS7817的数字输出而不是模拟信号与电机隔离开来。这里,ADS7817的参考电压为150mV,并且每个ADS7817的模拟输入直接连接到电流检测电阻器。通过从信号路径中去除iso130,在传感系统中实现了更大的信噪比。然而,需要9个光隔离器来隔离a/d转换器。

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