深入解析ADC10731/ADC10732/ADC10734/ADC10738 10位帶符號(hào)串行I/O A/D轉(zhuǎn)換器

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，A/D轉(zhuǎn)換器扮演著至關(guān)重要的角色，它是連接模擬世界和數(shù)字世界的橋梁。今天，我們將深入探討德州儀器（TI）的ADC10731、ADC10732、ADC10734和ADC10738這一系列10位帶符號(hào)串行I/O A/D轉(zhuǎn)換器，了解它們的特性、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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產(chǎn)品概述

ADC10731、ADC10732和ADC10734已停產(chǎn)或處于生命周期采購(gòu)階段，僅作參考。這一系列CMOS 10位帶符號(hào)逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器具有多功能模擬輸入多路復(fù)用器、采樣/保持功能和2.5V帶隙基準(zhǔn)。1、2、4或8通道多路復(fù)用器可通過(guò)軟件配置為單端或差分工作模式。

特性亮點(diǎn)

輸入范圍與接口

• 寬輸入范圍：模擬輸入范圍為0V至模擬電源電壓，且能承受一定的過(guò)壓和欠壓，在-50mV至$V^{+}+50mV$范圍內(nèi)不影響轉(zhuǎn)換精度。
• 串行I/O接口：支持串行I/O，與MICROWIRE兼容，方便與各種控制器和微處理器接口。

電源管理與性能

• 電源模式：具備軟件或硬件掉電功能，在掉電模式下功耗極低，僅18μW，正常工作時(shí)最大功耗為37mW。
• 轉(zhuǎn)換速度：轉(zhuǎn)換時(shí)間最大為5μs，采樣率最大可達(dá)74kHz，能滿(mǎn)足大多數(shù)應(yīng)用的實(shí)時(shí)性要求。

精度與穩(wěn)定性

• 無(wú)失碼：在整個(gè)溫度范圍內(nèi)無(wú)失碼，保證了轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。
• 基準(zhǔn)電壓：內(nèi)置2.5V帶隙基準(zhǔn)，精度為±2%，為轉(zhuǎn)換提供穩(wěn)定的參考。

應(yīng)用領(lǐng)域

該系列轉(zhuǎn)換器適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，如醫(yī)療儀器、便攜式和遠(yuǎn)程儀器儀表以及測(cè)試設(shè)備等。在這些應(yīng)用中，其高精度、低功耗和靈活的輸入配置能夠滿(mǎn)足不同的需求。

關(guān)鍵規(guī)格參數(shù)

引腳說(shuō)明

了解引腳功能是正確使用該轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵，以下是主要引腳的說(shuō)明：

• CLK：時(shí)鐘輸入，控制逐次逼近轉(zhuǎn)換時(shí)間間隔、采集時(shí)間和串行數(shù)據(jù)交換速率。
• DI：串行數(shù)據(jù)輸入，用于選擇模擬輸入多路復(fù)用器的通道。
• DO：數(shù)據(jù)輸出，轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)該引腳輸出。
• CS：芯片選擇，控制轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)。
• PD：掉電輸入，高電平使轉(zhuǎn)換器掉電，低電平上電。

電氣特性

靜態(tài)特性

• 有符號(hào)轉(zhuǎn)換：分辨率為10位 + 符號(hào)，總未調(diào)整誤差（TUE）最大為±2.0 LSB，積分線(xiàn)性誤差（INL）最大為+1.25 LSB。
• 無(wú)符號(hào)轉(zhuǎn)換：分辨率為10位，TUE在特定條件下為+0.75 LSB，INL為+0.50 LSB。

動(dòng)態(tài)特性

• 有符號(hào)轉(zhuǎn)換：信號(hào)與噪聲加失真比（S/(N+D)）在特定輸入條件下為67dB，有效位數(shù)（ENOB）為10.8位。
• 無(wú)符號(hào)轉(zhuǎn)換：S/(N+D)為60dB，ENOB為9.8位。

應(yīng)用提示

數(shù)字接口

• 工作模式：有兩種工作模式，$overline{CS}$在轉(zhuǎn)換期間保持低電平可獲得最快的吞吐量；$overline{CS}$在轉(zhuǎn)換期間置高可延遲輸出數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)化與其他設(shè)備的接口。
• 初始化：上電后需要初始化，若$overline{CS}$在供電時(shí)為低電平，需將其置高至少1個(gè)時(shí)鐘周期。

電源管理

• 軟件和硬件掉電：支持軟件或硬件掉電，掉電時(shí)的功耗受數(shù)字輸入電壓電平影響，CMOS邏輯電平可實(shí)現(xiàn)最低功耗。

架構(gòu)原理

在轉(zhuǎn)換開(kāi)始前，模擬輸入采樣期間對(duì)采樣數(shù)據(jù)比較器進(jìn)行歸零操作，將正輸入通道連接到A/D的輸入電容，充電至正模擬輸入電壓。轉(zhuǎn)換開(kāi)始后，比較器反饋開(kāi)關(guān)打開(kāi)，輸入電容切換到負(fù)輸入電壓，通過(guò)逐次逼近算法重新分配電容陣列上的電荷，最終得到數(shù)字輸出。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)

多路復(fù)用器配置

• 工作模式：輸入通道可通過(guò)軟件配置為差分、單端或偽差分模式，提供了靈活的輸入選擇。
• 電壓范圍：每個(gè)通道的模擬輸入電壓范圍為-50mV至$V^{+}+50mV$，超出此范圍可能影響轉(zhuǎn)換結(jié)果。

參考電壓考慮

• 電壓跨度：$V{REF}^{+}$和$V{REF}^{-}$輸入之間的電壓差定義了模擬輸入電壓跨度，可用于比例應(yīng)用或需要絕對(duì)精度的系統(tǒng)。
• 內(nèi)部基準(zhǔn)：內(nèi)置2.5V帶隙基準(zhǔn)可作為輸出，但需要用100μF電容旁路以確保最佳性能。

模擬輸入處理

• 旁路電容：當(dāng)源電阻大于1kΩ時(shí)，不建議使用輸入旁路電容，可采用運(yùn)放RC有源低通濾波器進(jìn)行阻抗緩沖和噪聲濾波。
• 共模信號(hào)：在真正的差分輸入級(jí)，共模信號(hào)不能完全消除，會(huì)導(dǎo)致一定的轉(zhuǎn)換誤差，可通過(guò)公式計(jì)算誤差大小。

可選調(diào)整

• 零誤差調(diào)整：可通過(guò)偏置負(fù)輸入來(lái)調(diào)整有效“零”電壓，使轉(zhuǎn)換器在最小輸入電壓時(shí)輸出全零數(shù)字代碼。
• 滿(mǎn)量程調(diào)整：通過(guò)施加特定的差分輸入電壓并調(diào)整$V_{REF}$電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)量程調(diào)整。

輸入采樣和保持

• 采樣過(guò)程：采樣/保持電容在電容陣列中實(shí)現(xiàn)，在采集時(shí)間內(nèi)對(duì)選定的正模擬輸入進(jìn)行采樣，采集時(shí)間為4.5個(gè)時(shí)鐘周期。
• 信號(hào)與噪聲比：理想的10位帶符號(hào)A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)與噪聲加失真比約為68dB。

總結(jié)

ADC10731/ADC10732/ADC10734/ADC10738系列A/D轉(zhuǎn)換器以其高精度、低功耗和靈活的輸入配置，為電子工程師提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體需求合理選擇工作模式、配置參考電壓和處理模擬輸入，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。希望通過(guò)本文的介紹，能幫助大家更好地理解和應(yīng)用這一系列轉(zhuǎn)換器。

你在使用這些轉(zhuǎn)換器的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題？或者對(duì)它們的應(yīng)用有什么獨(dú)特的見(jiàn)解？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。