探索ADC12130/ADC12132/ADC12138：高性能12位A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)剖析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）是連接模擬世界和數(shù)字世界的關(guān)鍵橋梁。德州儀器（TI）的ADC12130、ADC12132和ADC12138 12位帶符號(hào)自校準(zhǔn)串行I/O A/D轉(zhuǎn)換器，憑借其出色的性能和豐富的功能，在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中得到廣泛應(yīng)用。今天，我們就來(lái)深入剖析這一系列轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)、應(yīng)用及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、產(chǎn)品概述

ADC12130、ADC12132和ADC12138是12位帶符號(hào)逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，具備串行I/O接口和可配置的輸入多路復(fù)用器。其中，ADC12132有2通道多路復(fù)用器，ADC12138有8通道多路復(fù)用器，而ADC12130則是2通道多路復(fù)用器且多路復(fù)用器輸出和ADC輸入內(nèi)部連接。該系列轉(zhuǎn)換器支持多種模式，如單端、差分或偽差分模式，可適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。

二、關(guān)鍵特性

2.1 串行I/O兼容性

支持MICROWIRE、SPI和QSPI協(xié)議，方便與各種微控制器和數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行通信。

2.2 自校準(zhǔn)功能

轉(zhuǎn)換器可進(jìn)行自校準(zhǔn)，將線性度、零位和滿量程誤差調(diào)整到通常小于±1 LSB，無(wú)需額外的零位或滿量程調(diào)整。

2.3 可編程特性

具備可編程的采集時(shí)間、可變的數(shù)字輸出字長(zhǎng)和格式，可根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行靈活配置。

2.4 低功耗模式

支持掉電模式，有效降低功耗，延長(zhǎng)電池供電設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

該系列轉(zhuǎn)換器適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，如筆式計(jì)算機(jī)、數(shù)字化儀和全球定位系統(tǒng)等，為這些設(shè)備提供高精度的模擬信號(hào)數(shù)字化解決方案。

四、關(guān)鍵規(guī)格參數(shù)

4.1 分辨率與轉(zhuǎn)換時(shí)間

分辨率為12位帶符號(hào)，12位帶符號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)間最大為8.8 μs，吞吐量時(shí)間最大為14 μs。

4.2 線性誤差

積分線性誤差最大為±2 LSB，確保轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4.3 電源與功耗

支持3.3V或5V單電源供電，功耗低。如在+3.3V供電時(shí)，最大功耗為15 mW，掉電模式下典型功耗為40 μW。

五、引腳描述

轉(zhuǎn)換器的引腳功能豐富，涵蓋了模擬輸入、數(shù)字輸入輸出、時(shí)鐘和控制信號(hào)等。以下是部分關(guān)鍵引腳的功能：

5.1 模擬輸入引腳（CHO - CH7、COM）

用于連接模擬信號(hào)源，通過(guò)DI引腳的地址信息選擇輸入通道。

5.2 多路復(fù)用器輸出引腳（MUXOUT1、MUXOUT2）

多路復(fù)用器的輸出，通常連接到ADC輸入引腳（A/DIN1、A/DIN2）。

5.3 數(shù)據(jù)輸出引腳（DO）

輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果和轉(zhuǎn)換器狀態(tài)數(shù)據(jù)，在CS為低電平時(shí)為有效推挽輸出。

5.4 串行數(shù)據(jù)輸入引腳（DI）

用于輸入配置數(shù)據(jù)，在SCLK上升沿將數(shù)據(jù)移入多路復(fù)用器地址和模式選擇寄存器。

5.5 轉(zhuǎn)換控制引腳（CONV）

低電平時(shí)可對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模式編程或配置更改，高電平時(shí)進(jìn)入只讀數(shù)據(jù)模式。

六、電氣特性

6.1 靜態(tài)特性

包括分辨率、積分線性誤差、差分非線性、滿量程誤差和偏移誤差等，自校準(zhǔn)后各項(xiàng)誤差指標(biāo)均能滿足高精度應(yīng)用需求。

6.2 動(dòng)態(tài)特性

如信號(hào) - 噪聲加失真比（S/(N+D)）和 -3 dB全功率帶寬等，反映了轉(zhuǎn)換器對(duì)交流信號(hào)的處理能力。在不同輸入頻率下，S/(N+D)表現(xiàn)良好，全功率帶寬可達(dá)數(shù)十kHz。

6.3 輸入輸出特性

涉及參考輸入電容、模擬輸入電容、輸入泄漏電流和多路復(fù)用器特性等，為電路設(shè)計(jì)提供了重要參數(shù)。

七、應(yīng)用信息

7.1 數(shù)字接口

7.1.1 接口概念

上電后，首次通過(guò)DI輸入的指令可啟動(dòng)自校準(zhǔn)。自校準(zhǔn)完成后，可通過(guò)讀取狀態(tài)寄存器確定校準(zhǔn)是否結(jié)束，之后再啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，不能讀取狀態(tài)，否則會(huì)影響轉(zhuǎn)換結(jié)果。

7.1.2 配置更改

轉(zhuǎn)換器上電默認(rèn)配置為12位帶符號(hào)分辨率、12或13位MSB優(yōu)先、10 CCLK采集時(shí)間等。更改采集時(shí)間和符號(hào)位開(kāi)關(guān)需要發(fā)送8位指令，而選擇多路復(fù)用器地址和格式化輸出數(shù)據(jù)的指令會(huì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。

7.1.3 CS低電平連續(xù)考慮

當(dāng)CS持續(xù)為低電平時(shí)，必須發(fā)送準(zhǔn)確數(shù)量的SCLK脈沖，否則會(huì)導(dǎo)致通信失步?；謴?fù)同步的最簡(jiǎn)單方法是對(duì)設(shè)備進(jìn)行電源循環(huán)。

7.1.4 模擬輸入通道選擇

通過(guò)DI輸入的數(shù)據(jù)可選擇通道配置，在每次新轉(zhuǎn)換開(kāi)始前重新選擇輸入通道。

7.1.5 電源管理

可通過(guò)PD引腳或DI輸入指令實(shí)現(xiàn)硬件或軟件的電源上下電。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中進(jìn)行電源操作會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換結(jié)果出錯(cuò)。

7.1.6 用戶模式和測(cè)試模式

可通過(guò)指令將轉(zhuǎn)換器置于測(cè)試模式，此時(shí)CH0 - CH7變?yōu)橛性摧敵?。若不慎進(jìn)入測(cè)試模式導(dǎo)致通信失步，可通過(guò)電源循環(huán)恢復(fù)同步。也可通過(guò)發(fā)送特定指令序列將設(shè)備返回用戶模式。

7.1.7 無(wú)轉(zhuǎn)換讀取數(shù)據(jù)

將CONV線置高可在不啟動(dòng)新轉(zhuǎn)換的情況下讀取特定轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)會(huì)保留在輸出寄存器中，直到CS變?yōu)榈碗娖健?/p>

7.1.8 欠壓情況

當(dāng)電源電壓降至約2.7V以下時(shí)，內(nèi)部寄存器可能丟失內(nèi)容?；謴?fù)正常工作的可靠方法是將電源電壓降至0.5V以下，然后重新編程并進(jìn)行校準(zhǔn)。

7.2 模擬多路復(fù)用器

7.2.1 配置選項(xiàng)

ADC12138的模擬輸入多路復(fù)用器可配置為4個(gè)差分通道或8個(gè)單端通道，或兩者的任意組合。差分配置下，模擬輸入成對(duì)分配；單端配置下，COM引腳作為偽地。

7.2.2 偏置電路

針對(duì)不同的操作模式，如單端、偽差分和全差分操作，需要不同的偏置電路。單端操作時(shí)，符號(hào)位始終為低；偽差分操作可采用信號(hào)AC耦合或使用參考電壓偏置放大器電路；全差分操作可充分利用轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出范圍。

7.3 參考電壓

參考電壓由 $V{REF}^{+}$ 和 $V{REF}^{-}$ 之間的電壓差定義，驅(qū)動(dòng)這兩個(gè)引腳的電壓源必須具有低輸出阻抗和低噪聲。轉(zhuǎn)換器可用于比例或絕對(duì)參考應(yīng)用，推薦使用一些具有高精度和低溫度系數(shù)的參考電壓源。同時(shí)，參考電壓輸入有一定的范圍限制，$V{REF}^{+}$ 不能低于 $V{REF}^{-}$ ，且 $V_{REF}$ 共模范圍也有特定要求。

7.4 模擬輸入電壓范圍

轉(zhuǎn)換器的全差分ADC生成的二進(jìn)制補(bǔ)碼輸出可通過(guò)特定公式計(jì)算。輸入電壓范圍和參考電壓決定了輸出代碼的范圍，通過(guò)示例可以更直觀地了解不同輸入和參考電壓組合下的輸出代碼。

7.5 輸入電流與源阻抗

在采集窗口開(kāi)始時(shí)，模擬輸入引腳會(huì)有充電電流，其峰值取決于輸入電壓極性、源阻抗和內(nèi)部多路復(fù)用器開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻。對(duì)于低阻抗電壓源，在采樣保持（S/H）的采集時(shí)間內(nèi)，輸入充電電流會(huì)衰減到不會(huì)引入轉(zhuǎn)換誤差的水平；對(duì)于高源阻抗，可增加S/H的采集時(shí)間?？赏ㄟ^(guò)特定公式計(jì)算不同分辨率下所需的采集時(shí)間時(shí)鐘周期數(shù)。

7.6 輸入旁路電容與噪聲

在模擬輸入引腳和模擬地之間連接外部電容（0.01 μF - 0.1 μF）可過(guò)濾因長(zhǎng)輸入引線產(chǎn)生的感應(yīng)噪聲，且不會(huì)降低轉(zhuǎn)換精度。同時(shí)，應(yīng)盡量縮短模擬多路復(fù)用器輸入引腳的引線長(zhǎng)度，以減少輸入噪聲和時(shí)鐘頻率耦合。

7.7 電源與接地

電源線上的噪聲尖峰可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)換誤差，尤其是在自動(dòng)歸零或線性校正期間。推薦使用低電感鉭電容（10 μF或更大）與0.1 μF單片陶瓷電容并聯(lián)作為最小電源旁路電容，并為 $V{A}^{+}$ 和 $V{D}^{+}$ 分別使用旁路電容，且盡量靠近引腳放置。此外，通過(guò)合理的接地技術(shù)，如使用單獨(dú)的模擬和數(shù)字區(qū)域，可最大化轉(zhuǎn)換器的性能。

7.8 時(shí)鐘信號(hào)隔離

為優(yōu)化轉(zhuǎn)換器性能，應(yīng)將模擬輸入/輸出和參考信號(hào)導(dǎo)體與CCLK和SCLK引腳的時(shí)鐘信號(hào)導(dǎo)體盡量分開(kāi)，建議保持至少7到10倍時(shí)鐘走線高度的間距。

7.9 校準(zhǔn)與自動(dòng)歸零

上電后，待電源、參考和時(shí)鐘穩(wěn)定后，需要啟動(dòng)校準(zhǔn)周期，以確定采樣數(shù)據(jù)比較器的偏移電壓、線性度和增益誤差的校正值，并將這些值存儲(chǔ)在內(nèi)部RAM中。在環(huán)境溫度或電源電壓變化較大時(shí)，可使用自動(dòng)歸零周期來(lái)校正零位誤差。

7.10 動(dòng)態(tài)性能

對(duì)于需要對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化的應(yīng)用，動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)如信號(hào) - 噪聲比（S/N）、信號(hào) - 噪聲加失真比（S/(N+D)）、有效位數(shù)、全功率帶寬、孔徑時(shí)間和孔徑抖動(dòng)等非常重要?？墒褂每焖俑道锶~變換（FFT）方法測(cè)量ADC的交流性能，根據(jù)不同頻率下的S/(N+D)曲線可評(píng)估轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)特性。

7.11 RS232串行接口

提供了一個(gè)與IBM及兼容PC的RS232接口原理圖，通過(guò)電平轉(zhuǎn)換器將RS232信號(hào)連接到轉(zhuǎn)換器的DI、SCLK和DO引腳，并使用D觸發(fā)器生成 $overline{CS}$ 信號(hào)。同時(shí)，還給出了一個(gè)用Microsoft QuickBasic編寫(xiě)的示例程序，用于向轉(zhuǎn)換器發(fā)送數(shù)據(jù)模式選擇指令。

八、總結(jié)

ADC12130、ADC12132和ADC12138系列A/D轉(zhuǎn)換器以其高精度、靈活性和低功耗等優(yōu)點(diǎn)，為電子工程師提供了一個(gè)強(qiáng)大的模擬信號(hào)數(shù)字化解決方案。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要充分考慮其電氣特性、引腳功能和應(yīng)用要點(diǎn)，合理配置參數(shù)，優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，以確保轉(zhuǎn)換器在各種應(yīng)用場(chǎng)景中都能發(fā)揮最佳性能。希望本文能為大家在使用該系列轉(zhuǎn)換器時(shí)提供有益的參考，你在實(shí)際應(yīng)用中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。