逐次逼近型ADC：確保首次轉(zhuǎn)換有效

　　最高18位分辨率、10 MSPS 采樣速率的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）可以滿足許多數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的需求，包括便攜式、工業(yè)、醫(yī)療和通信應(yīng)用。本文介紹如何初始化逐次逼近型 ADC 以實現(xiàn)有效轉(zhuǎn)換。

　　逐次逼近型架構(gòu)

　　逐次逼近型ADC由4個主要子電路構(gòu)成：采樣保持放大器（SHA）、模擬比較器、參考數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和逐次逼近型寄存器（SAR）。由于 SAR 控制著轉(zhuǎn)換器的運行，因此，逐次逼近型轉(zhuǎn)換器一般稱為SAR ADC。

　　圖 1 基本 SAR ADC 架構(gòu)

　　在上電和初始化之后，CONVERT 上的一個信號會啟動轉(zhuǎn)換。開關(guān)閉合，將模擬輸入連接至 SHA，后者獲得輸入電壓。當(dāng)開關(guān)斷開時，比較器將確定模擬輸入（此時存儲于保持電容）是大于還是小于 DAC 電壓。開始時，最高有效位（MSB）開啟，將 DAC 輸出電壓設(shè)為中間電平。在比較器輸出建立之后，如果 DAC 輸出大于模擬輸入，逐次逼近寄存器將關(guān)閉 MSB；如果輸出小于模擬輸入，則會使其保持開啟。下一個最高有效位會重復(fù)這一過程，如果比較器確定 DAC 輸出大于模擬輸入，則關(guān)閉 MSB；如果輸出小于模擬輸入，則會使其保持開啟。這個二進(jìn)制搜索過程將持續(xù)下去，直到寄存器中的每一位都測試完畢為止。結(jié)果得到的 DAC 輸入是采樣輸入電壓的數(shù)字近似值，并由 ADC 在轉(zhuǎn)換結(jié)束時輸出。

　　與 SAR轉(zhuǎn)換代碼相關(guān)的因素

　　本文將討論與有效首次轉(zhuǎn)換相關(guān)的下列因素：

• 　　電源順序（AD765x-1）
• 　　訪問控制（AD7367）
• 　　RESET （AD765x-1/AD7606）
• 　　REFIN/REFOUT （AD765x-1）
• 　　模擬輸入建立時間（AD7606）
• 　　模擬輸入范圍（AD7960）
• 　　省電/待機(jī)模式（AD760x）
• 　　延遲（AD7682/AD7689、AD7766/AD7767）
• 　　數(shù)字接口時序
• 　　電源序列

　　些采用多個電源的ADC擁有明確的上電序列。AN-932 應(yīng)用筆記電源序列列為這些ADC電源的設(shè)計提供了良好的參考。應(yīng)該特別注意模擬和參考輸入，因為這些一般不得超過模擬電源電壓0.3 V 以上。 因此， AGND – 0.3 V 《 VIN 《 VDD + 0.3 V 且 AGND – 0.3 V 《 VREF 《 VDD + 0.3V。 模擬電源應(yīng)在模擬輸入或基準(zhǔn)電壓之前開啟，否則，模擬內(nèi)核可能會以閂鎖狀態(tài)上電。類似地，數(shù)字輸入應(yīng)在 DGND − 0.3 V和VIO + 0.3 V之間。I/O電源必須在接口電路之前（或與其同時）開啟，否則，這些引腳上的ESD二極管可能變成正偏，而且數(shù)字內(nèi)核可能以未知狀態(tài)上電。

　　電源斜坡過程中的數(shù)據(jù)訪問

　　在電源穩(wěn)定之前不得訪問ADC，因為這樣可能使其進(jìn)入未知狀態(tài)。在圖 2 所示例子中，主機(jī)FPGA正在嘗試從AD7367 讀取數(shù)據(jù)，而DVCC正在斜升，結(jié)果可能使ADC進(jìn)入未知狀態(tài)。

　　圖 2 在 DVCC 斜升過程中讀取數(shù)據(jù)

　　通過復(fù)位實現(xiàn) SAR ADC初始化

　　許多SAR ADC（如AD760x和AD765x-1）在上電后需要通過 RESET來實現(xiàn)初始化。在所有電源都穩(wěn)定之后，應(yīng)施加一個指定的RESET脈沖，以確保ADC以預(yù)期狀態(tài)啟動，同時使數(shù)字邏輯控制處于默認(rèn)狀態(tài)，并清除轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寄存器。上電時，電壓開始在REFIN/REFOUT 引腳上建立，ADC進(jìn)入采集模式，同時配置用戶指定模式。完全上電后，AD760x應(yīng)看到一個上升沿RESET將其配置為正常工作模式。RESET高脈沖寬度典型值為50nss。

　　建立基準(zhǔn)電壓

　　ADC 將模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換成指向基準(zhǔn)電壓的數(shù)字代碼，因此，基準(zhǔn)電壓必須在首次轉(zhuǎn)換前穩(wěn)定下來。許多 SAR ADC 都有一個 REFIN/REFOUT 引腳和一個 REF 或 REFCAP 引腳。外部基準(zhǔn)電壓可能會通過 REFIN/REFOUT 引腳過驅(qū)內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源，或者，內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源可能會直接驅(qū)動緩沖。REFCAP 引腳上的電容會使內(nèi)部緩沖輸出去耦，而這正是用于轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓源。圖 3 所示為 AD765x-1 數(shù)據(jù)手冊中的參考電路示例。

　　圖 3 AD765x-1 參考電路

　　確保 REF 或 REFCAP 上的電壓在首次轉(zhuǎn)換之前已建立。壓擺率和建立時間因不同的儲能電容而異，如圖 4 所示。

　　圖 4 AD7656-1 REFCAPA/B/C 引腳在不同電容下的電壓斜坡

　　另外，設(shè)計不佳的參考電路可能導(dǎo)致嚴(yán)重的轉(zhuǎn)換錯誤。參考電路問題最常見的表現(xiàn)是“粘連”代碼，其原因可能是儲能電容的尺寸和位置、驅(qū)動強(qiáng)度不足或者輸入存在大量噪聲。 精密逐次逼近型ADC的基準(zhǔn)電壓源設(shè)計 計作者：Alan Walsh （模擬對話第47卷第 2期，2013年）詳細(xì)討論了SAR ADC的基準(zhǔn)電壓源設(shè)計。

　　模擬輸入建立時間

　　對于多通道、多路復(fù)用應(yīng)用，驅(qū)動器放大器和 ADC 的模擬輸入電路必須使內(nèi)部電容陣列以 16 位水平（0.00076%）建立滿量程階躍。不幸的是，放大器數(shù)據(jù)手冊一般將建立精度指定為 0.1%或 0.01%。指定的建立時間可能與 16 位精度的建立時間顯著不同，因此選擇驅(qū)動器之前應(yīng)進(jìn)行驗證。

　　要特別注意多路復(fù)用應(yīng)用中的建立時間。在多路復(fù)用器切換之后，要確保留出足夠的時間，以便模擬輸入能在轉(zhuǎn)換開始之前建立至指定的精度。在配合 AD7606 使用多路復(fù)用器時，應(yīng)為±10-V輸入范圍留出至少 80 µs的時間，為±5-V范圍留出至少 88 µs，以便給選定通道足夠的時間來建立至 16 位分辨率。面向精密SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器的前端放大器和RC濾波器設(shè)計作者：Alan Walsh（模擬對話 話第 46 卷第 4 期，2012 年）為放大器的選擇提供了更多細(xì)節(jié)。

　　模擬輸入范圍

　　確保模擬輸入處于指定的輸入范圍之內(nèi)，要特別注意指定共模電壓的差分輸入范圍，如圖 5 所示。

　　圖 5 共模電壓下的全差分輸入

　　例如，AD7960 18位、 5 MSPS SAR ADC的差分輸入范圍為–VREF 至 +VREF， 但折合到地的 VIN+ 和 VIN− −都應(yīng)該處于–0.1 V至 VREF + 0.1 V的范圍內(nèi)，且共模電壓應(yīng)為 VREF/2左右，如表1所示。

　　表 1 AD7960的模擬輸入規(guī)格

　　使 SAR ADC退出關(guān)斷或待機(jī)模式

　　為了節(jié)能，有些SAR ADC會在空閑時進(jìn)入關(guān)斷或待機(jī)模式。在首次轉(zhuǎn)換開始前，要確保ADC退出該低功耗模式。例如， AD7606 系列即提供了兩種節(jié)能模式：完全關(guān)斷和待機(jī)。這些模式由GPIO引腳STBY 和RANGE進(jìn)行控制。

　　根據(jù)圖6所示，當(dāng)STBY 和RANGE返回高電平時，AD7606從完全關(guān)斷進(jìn)入正常工作模式，并配置為±10-V的范圍。此時， REGCAPA、REGCAPB和REGCAP引腳上電至數(shù)據(jù)手冊所述的正確電壓。在進(jìn)入待機(jī)模式時，上電時間約為 100 μs，但在外部基準(zhǔn)電壓源模式下，這需要大約13 ms。從關(guān)斷模式上電時，經(jīng)過所需的上電時間后，必須施加RESET信號。數(shù)據(jù)手冊將上電與RESET上升沿之間所需時間規(guī)定為 tWAKE-UP SHUTDOWN。

　　圖 6 AD7606 初始化時序

　　帶延遲的 SAR ADC

　　人們普遍認(rèn)為，SAR ADC 沒有延遲，但有些 SAR ADC 確實存在延遲以便更新配置，因此，在經(jīng)過延遲時間（可能為數(shù)個轉(zhuǎn)換周期）之前，第一個有效轉(zhuǎn)換代碼可能未定義。

　　例如，AD7985 擁有兩種轉(zhuǎn)換工作模式：turbo和正常。Turbo模式（支持最快的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá)2.5 MSPS）不會在轉(zhuǎn)換間關(guān)斷。turbo模式下的第一次轉(zhuǎn)換含有無意義的數(shù)據(jù)，應(yīng)該予以忽略。另一方面，在正常模式下，第一次轉(zhuǎn)換是有意義的。

　　對于 AD7682/AD7689，上電后的前三個轉(zhuǎn)換結(jié)果未定義，因為在第二個EOC之前，不會出現(xiàn)有效的配置。因此，需要兩次偽轉(zhuǎn)換，如圖 7 所示。

　　圖 7 AD7682/AD7689 的通用時序

　　當(dāng)在硬件模式下使用 AD765x-1 時，在 BUSY 信號下降沿對 RANGE 引腳的邏輯狀態(tài)進(jìn)行采樣，以決定下一次同步轉(zhuǎn)換的模擬輸入范圍。在有效的 RESET 脈沖之后，AD765x-1 將默認(rèn)在±4 × VREF 范圍內(nèi)工作，無延遲問題。然而，如果 AD765x-1 工作于±2 × VREF 范圍內(nèi)，則必須利用偽轉(zhuǎn)換周期在 BUSY的第一個下降沿選擇范圍。

　　另外，有些SAR ADC（如AD7766/AD7767過采樣SAR ADC）有后數(shù)字濾波器，結(jié)果會導(dǎo)致更多延遲。當(dāng)將模擬輸入多路復(fù)用至這類ADC時，主機(jī)必須等到數(shù)字濾波器完全建立后才能獲得有效轉(zhuǎn)換結(jié)果；經(jīng)過該建立時間后，方可切換通道。

　　如表 2 所示，AD7766/AD7767 的延遲為 74 除以輸出數(shù)據(jù)速率 （74/ODR）的商值。在運行于最高輸出數(shù)據(jù)速率 128 kHz 時， AD7766/AD7767 支持 1.729 kHz 的多路復(fù)用器開關(guān)速率。

　　表 2 AD7766/AD7767的數(shù)字濾波器延遲

　　數(shù)字接口時序

　　最后，但同樣重要的是，主機(jī)可以通過一些常見的接口選項（如并行、并行 BYTE、IIC、SPI 和菊花鏈模式下的 SPI）來訪問 SAR ADC 的轉(zhuǎn)換結(jié)果。要得到有效的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，必須確保遵循數(shù)據(jù)手冊中的數(shù)字接口時序規(guī)格。

　　結(jié)論

　　為了獲得 SAR ADC 的第一個有效轉(zhuǎn)換代碼，務(wù)必遵循本文討論的建議。可能還需要其他具體配置支持；請查看目標(biāo) SAR ADC 數(shù)據(jù)手冊或者應(yīng)用筆記，了解關(guān)于第一個轉(zhuǎn)換周期開始之前初始化的相關(guān)內(nèi)容。

　　參考文獻(xiàn)

　　Kester， Walt. Data Converter Support Circuits. Chapter 7， Data Conversion Handbook.

　　Kester， Walt. “Which ADC Architecture Is Right for Your Application？” Analog Dialogue， Volume 39， Number 2， 2005.

　　Walsh， Alan. “Front-End Amplifier and RC Filter Design for a Precision SAR Analog-to-Digital Converter.” Analog Dialogue， Volume 46， Number 4， 2012.

　　作者簡介

　　
Steven Xie ［steven.xie@analog.com］2011年3月加入 ADI北京分公司，擔(dān)任ADI中國設(shè)計中心的ADC應(yīng)用工程師。他負(fù)責(zé)中國市場精密ADC產(chǎn)品的技術(shù)支持工作。在此之前，他曾在Ericsson CDMA團(tuán)隊做過四設(shè)計人員。2007 年，Steven畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)，并獲得通信與信息系統(tǒng)碩士學(xué)位。