流水線型ADCMAX1200及其與DSP的接口

摘要：新型的流水線結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高速、高精度、低功耗的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的新技術(shù)。介紹16位MAX1200的結(jié)構(gòu)、原理及其在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中與DSP的接口及應(yīng)用，可對(duì)流水線型ADC有實(shí)頻了解。

1 概述

為了適應(yīng)計(jì)算機(jī)、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(shù)字化進(jìn)程不斷加快，ADC在工藝、結(jié)構(gòu)、性能上都有了很大進(jìn)步，正在朝著低功耗、高速、高分辨率的方向發(fā)展。新型的流水線結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)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(dá)1 Msps的單片集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部CMOS積分電路采用全差分多級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，并且具有快速的數(shù)字誤差校正和自校準(zhǔn)功能；保證在全采樣率時(shí)具有16位的線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(yīng)用于高分辨率圖像系統(tǒng)、掃描儀、數(shù)字通信、檢測(cè)儀表和數(shù)據(jù)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(zhǔn)提供，負(fù)向參考電壓RFNF接至模擬地；

*輸入信號(hào)fin=100kHz時(shí)，信噪比為87 dB；

*輸入信號(hào)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差分非線性誤差；

*三態(tài)、二進(jìn)制補(bǔ)碼輸出；

*快速、可控自校準(zhǔn)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

流水線型（pipeline）ADC又稱為子區(qū)式ADC，由級(jí)聯(lián)的若干級(jí)電路組成。每一級(jí)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(jí)間放大器。快速精確的n位轉(zhuǎn)換器分為兩段以上的子區(qū)（流水線）來(lái)完成。每級(jí)電路的采樣/保持器對(duì)輸入信號(hào)取樣后，先由1個(gè)m位分辨率的粗A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入進(jìn)行量，接著用1個(gè)至少n位精度的乘積型數(shù)模轉(zhuǎn)換器（MDAC）產(chǎn)生1個(gè)對(duì)應(yīng)于量化結(jié)果的模擬電平送至求和電路，求和電路從輸入信號(hào)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(jí)電路處理。經(jīng)過(guò)各級(jí)這樣的處理后，最后由1個(gè)較高精度的k位細(xì)A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)殘余信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。將上述各級(jí)粗、細(xì)A/D的輸出組合起來(lái)構(gòu)成高精度的n位輸出；同時(shí)必須滿足以下不等式，以便糾正重疊錯(cuò)誤：

l·m+k>n

其中，l為級(jí)數(shù)，m為各級(jí)中ADC的粗分辨率，k為精細(xì)ADC的細(xì)分辨率，而n是流水線ADC的總分辨率。圖1所示為MAX1200的4級(jí)流水線ADC的原理圖及每級(jí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖1中m=8，l=4，n=16。由于采用的開(kāi)關(guān)電容流水線結(jié)構(gòu)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(zhǔn)邏輯控制。流水線結(jié)構(gòu)的4個(gè)采樣過(guò)程在輸入信號(hào)被采樣和數(shù)據(jù)輸出到D15～D0之間引入的等待時(shí)間，也就是流水線的延遲時(shí)間；但是，在連續(xù)采樣的情況下可以獲得連續(xù)的輸出，只是輸出數(shù)據(jù)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ADC不但簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，還具有如下優(yōu)點(diǎn)：

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

②每一級(jí)具有獨(dú)立的采樣/保持放大器，前一級(jí)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，允許流水線各級(jí)同時(shí)對(duì)多個(gè)采樣進(jìn)行處理，從而提高了信號(hào)的處理速度，典型的為Tconv100ns。

③功耗低；

④很少有比較器進(jìn)入亞穩(wěn)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(jí)轉(zhuǎn)換提高了ADC的分辨率。

（1）輸入模擬信號(hào)

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(hào)比單端輸入具有更好的THD和SFDR性能，并且具有兩倍的信號(hào)量程、普通模式下的抗干擾性提高、有效地消除偶次諧波、對(duì)輸入信號(hào)的放大器預(yù)處理要求不高等優(yōu)點(diǎn)。如果使用單端輸入，負(fù)輸入引腳INN連接到普通模式電壓引腳CM上，輸入模擬信號(hào)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(yīng)盡量采用差分輸入方式?？梢酝ㄟ^(guò)電路轉(zhuǎn)換將單端輸入轉(zhuǎn)換成差分輸入。如圖4所示，利用低噪聲、寬帶的運(yùn)算放大器MAX4108可以保證MAX1200輸入信號(hào)在全功率帶寬范圍的信號(hào)純凈。為提高信噪比減小信號(hào)失真，在輸入信號(hào)進(jìn)入ADC之前，可采用低通或帶通濾波器調(diào)理輸入信號(hào)。通常對(duì)于低頻輸入信號(hào)（100kHz）可采用有源濾波器，高頻輸入信號(hào)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(fù)載穩(wěn)定性和低的溫度漂移。MAX1200的參考電壓驅(qū)動(dòng)大約1kΩ的片上電阻和21pF的開(kāi)關(guān)電容。為了滿足動(dòng)態(tài)特性的要求，參考電壓要在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)穩(wěn)定在0.0015%，因而要設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)尿?qū)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(nèi)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(yùn)算放大器MAX410可以保證參考信號(hào)的精度。通常典型的正參考電壓RFPF可由4.096V的驅(qū)動(dòng)電壓基準(zhǔn)（如MAX6341）提供，負(fù)參考電壓可直接和模擬地相連，這樣可達(dá)到最佳的信噪比。如果系統(tǒng)對(duì)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(duì)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(hào)源要有匹配的頻率范圍、振幅、壓擺率。如果輸入信號(hào)的壓擺率很小，那么，時(shí)鐘抖動(dòng)可以忽略；如果信號(hào)的壓擺率很高，則時(shí)鐘的抖動(dòng)應(yīng)該限制到最小。因?yàn)?，?duì)于全振幅輸入的正弦波可能達(dá)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(hào)發(fā)生器，可以獲取需要的時(shí)鐘。

（4）校標(biāo)功能

流水線操作采用低分辨率的乘積型數(shù)模轉(zhuǎn)換器（MDAC），其內(nèi)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(zhǔn)功能，可將電容之間的失配情況進(jìn)行計(jì)算并存儲(chǔ)在片上存儲(chǔ)器中，以便應(yīng)用于對(duì)輸入信號(hào)的校準(zhǔn)中。在校準(zhǔn)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(dāng)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?zhǔn)結(jié)束。在這一期間參考電壓必須保持穩(wěn)定在0.01%，否則校準(zhǔn)是無(wú)效的。在校準(zhǔn)過(guò)程中，模擬輸入INP和INN一般不接入信號(hào)，但如果接入靜態(tài)輸入可以獲得更好的校準(zhǔn)性能。一旦END_CAL變高則意味著校準(zhǔn)結(jié)束，此時(shí)ADC進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)。具體時(shí)序如圖7的慰。校準(zhǔn)結(jié)束后，MAX1200對(duì)電源±5%的變化或溫度的變化都不敏感，但當(dāng)溫度變化超過(guò)±20℃時(shí)則需要重新校準(zhǔn)。

3 MAX1200與DSP的接口

這里，采用美國(guó)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(yīng)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(yùn)算速度較快（可達(dá)40MIPS），功能較強(qiáng)，源代碼與'C1x、'C2x兼容，且與'5x向上兼容，片內(nèi)外設(shè)向TMS320C5x靠攏。其內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開(kāi)的哈佛結(jié)構(gòu)，具專門的硬件乘法器，采用了四級(jí)流水線操作，提供了特殊的DSP指令，可以快速實(shí)現(xiàn)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(yīng)用DSP進(jìn)行ADC數(shù)據(jù)采集的程序：

.title "MAX1200 ADC";標(biāo)題

.copy "init.h" ;變量和寄存器定義

.copy "vector.h" ；矢量標(biāo)號(hào)定義

.text ;代碼段

F206系統(tǒng)初始化

start:clrc cnf ;映射塊B0到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)

ldp #0h ;頁(yè)指針設(shè)置為0

setc intm ;關(guān)中斷

splk #0000h,60h

out 60h,wsgr ;設(shè)置0等待周期

*設(shè)置中斷*

splk #0ffffh,ifr ;中斷標(biāo)志復(fù)位

splk #0001h,imr ;設(shè)置INT1中斷有效

splk #0010h,60h

out 60h,icr ;設(shè)置中斷模式

*設(shè)置IO口輸入輸出狀態(tài)*

splk #0c004h,60h ;設(shè)置IO2為輸出，IO3為輸入

out 60h,aspcr

*設(shè)置從ADC的接收數(shù)據(jù)存放位置及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度*

lar ar1,#rxbuf ;接收數(shù)據(jù)從0300h單元開(kāi)始存放

lar ar0,#size ;接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度0020h個(gè)數(shù)據(jù)

mar *,ar1 ；設(shè)置AR1為當(dāng)前輔助寄存器

*控制ADC的OE，啟動(dòng)自動(dòng)校準(zhǔn)，等待校準(zhǔn)完畢后接收數(shù)據(jù)*

splk #00f4h,61h

out 61h,iosr ;設(shè)置ST_CAL=，啟動(dòng)ADC自動(dòng)校準(zhǔn)

in 62h,iosr ;等待自動(dòng)校準(zhǔn)完畢

bit 62h,8

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

clrc tc ;自動(dòng)校準(zhǔn)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(chǔ)數(shù)據(jù)*

inpt1:in *+,000h ;接收數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到輔助寄存；器所指示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元

mar *,ar0

banz skip,ar1

lar ar1,#rxbuf

lar aro,#size

skip:clrc intm

ret

.end ;程序結(jié)束

4 小結(jié)

利用流水線型ADC可以實(shí)現(xiàn)高速精度的模數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)字采集系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于數(shù)字通信、高分辨率圖像系統(tǒng)、掃描儀等各種數(shù)字化系統(tǒng)中。