高速８位ADCs MAX155/MAX156的原理及应用

摘要：MAX155/MAX156是美国MAXIM公司推出的一种高速、８位、多通道模数转换器（ADCｓ），该器件的每个通道均有自己的跟踪／保持电路，所有的跟踪／保持采样可同时进行。该芯片可广泛用于各种多路信号采集、Ａ／Ｄ转换驱动和信号测量电路。文中着重介绍了MAX155／MAX156的原理、结构和功能，并通过相关电路的比较说明了该芯片的优点，同时给出了一个关于MAX155／MAX156 的应用实例。 关键词：MAX155/MAX156；ADCs；跟踪／保持 美国ＭＡＸＩＭ公司推出的高速、８位、多通道模数转换器（ＡＤＣｓ）ＭＡＸ１５５和ＭＡＸ１５６分别有８个模拟输入通道和４个模拟输入通道，每个通道都带有自己的跟踪／保持电路，所有的跟踪保持采样可同时进行，因而可以减小各通道的采样时间差异。每个通道的转换时间为３．６μｓ，并能将结果存在内部的８%26;#215;８ＲＡＭ中。在单电源＋５Ｖ供电时，ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６可工作于单极或双极性、单端或差分等形式的转换电路中。如果需要更宽的电压范围或正负双极性转换，芯片必须由%26;#177;５Ｖ供电。ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６的另一个特性是具有２．５Ｖ的内部参考电压和电源关断功能，这样就提供了一个完善的数据采集系统。 图1 １　芯片介绍 １．１ 芯片引脚定义 ＭＡＸ１５５采用２８脚ＤＩＰ和宽ＳＯ两种封装，ＭＡＸ１５６则采用２４脚窄塑料ＤＩＰ和２８脚宽ＳＯ封装，它们的引脚排列如图１所示。 １．２ 特点参数 ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６的主要特点和工作参数如下 ●多输入通道 具有４个或８个同步跟踪保持采样输入通道； ●输入方式：具有单端、差分输入以及单极性或双极性输入方式； ●内部参考电压：２．５Ｖ； ●配置方式：混合输入配置； ●转换时间：每通道３．６μｓ； ●线性误差 %26;#177;１ＬＳＢ最大； ●参考输入电压：２．５Ｖ典型； ●参考输出电压：２．５Ｖ典型； ●直流输入电阻：１０ＭΩ； ●外部时钟频率：０．５～５ＭＨｚ； ●电源供电方式单５Ｖ或双%26;#177;５Ｖ供电； ●工作温度：０～＋７０℃。 ２ 工作原理 ２．１ 芯片结构图 ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６内部包含一个３．６μｓ的逐次逼近ＡＤＣ和８／４个跟踪保持输入端。当转换开始时所有的模拟输入端同时采样而且无论转换是否被选择，所有的通道都进行采样。ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６既可进行单通道也可进行多通道转换，且通道可以配置为混合输入。它们的转换结果被存入片内ＲＡＭ中，其内部结构如图２所示（以ＭＡＸ１５５为例，ＭＡＸ１５６类似）。 在ＷＲ端加一个脉冲即可启动ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６的转换。在ＷＲ的上升沿，ＭＵＸ配置寄存器数据；在ＷＲ的下降沿，所有的通道开始采样。访问转换结果可用连续的ＲＤ脉冲读出，并可自动从通道０开始顺序访问ＲＡＭ。每一个ＲＤ脉冲会使ＲＡＭ的地址计数器加１。在多通道转换中，当ＷＲ变为低时，ＲＡＭ地址计数器复位到０。在装载ＲＡＭ地址（Ａ０～Ａ２）的同时使Ｄ４／ＩＮＨ为１，可设置地址并禁止转换，此时执行一条读操作可以读出ＲＡＭ的任一地址。 ２．２ 模式配置 ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６根据应用场合的不同要求可以设置为两种模式输入／输出模式和硬连线模式。 (１) 输入／输出模式 当ＭＯＤＥ输入端开路时，为输入／输出配置模式。在输入／输出配置模式中，ＭＵＸ配置寄存器用于决定转换的类型。在ＷＲ的上升沿，寄存器被更新。在转换开始后，ＢＵＳＹ端变低，转换从选定的最低通道开始顺序进行。当ＢＵＳＹ变高以后，转换结果存储到ＲＡＭ中。在转换结束后，微处理器可以用连续的ＲＤ脉冲访问ＲＡＭ中的数据。第一次读出的数据是最低通道的转换结果，后续的脉冲将顺序读出余下通道的转换结果。 (２) 硬连线模式 对于较简单的应用场合，ＭＯＤＥ和ＶＳＳ端的连线可用来指定转换的类型，在这种连线模式下，一般不使用配置寄存器，所以Ｄ０～Ｄ７端的输入数据被忽略。以ＭＡＸ１５５为例，ＭＯＤＥ端连接到低电平时，在ＷＲ脉冲作用下，系统将启动８通道的单端转换；而当ＭＯＤＥ端连接到高电平时，在ＷＲ脉冲的作用下，系统将启动４通道差分转换。实际上在Ｄ０～Ｄ７端出现的数据一般不会影响到配置寄存器。 ３　电路比较 在实际测控和仪表应用中，经常会遇到要求多路数据信号同时进行采集的情况。而以往的Ａ／Ｄ采样转换芯片，虽然可进行多路Ａ／Ｄ转换，但各个通道的采样转换是依次进行的，不能保证各通道的同时采样转换。这种方式下的解决办法有两种：一种是采用单路Ａ／Ｄ转换芯片，并在外部另加采样保持器，接着将各路输入信号同时进行采样保持，然后再采用多路选择器逐次选择各通路，最后再送入到单路Ａ／Ｄ转换中去。另一种是采用多路Ａ／Ｄ转换芯片，该方法只是在上述电路中省去了多路转换器这样能保证各路信号的同时采样，图３所示是采用传统Ａ／Ｄ转换芯片时的实现方式。 虽然图３电路能保证各个通道的信号同时采样，但是也存在一些缺点： (１)使用这种方法时，每个信号通道必须外加一个采样保持器，因而所用器件较多。 (２)电路控制比较复杂，实时性不强。 (３)大量器件在印制电路板上占用空间，既增加了布线的困难，又增加了制板的费用。 (４)系统所用的元器件较多，不利于进一步提高集成度，而且易受干扰。 因此，采用ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６实现多路信号的同时采样是非常适合的。 此外，这种电路还有如下优点： (１)每个通道有自己的跟踪／保持电路，所有的跟踪／保持采样可同时进行，而且元件数量比较少，从而使电路板占用的空间大大减少。 (２)ＡＤＣ转换器每个通道转换时间仅为３．６μｓ，因而实时性很强。 (３)可进行单极或双极性、单端或差分等形式的转换，应用范围广。 (４)根据应用场合的不同要求可以设置输入／输出模式和硬连线模式，因而适应性较强。 (５)芯片Ｔ／Ｈ放大器的输入阻抗很高，一般不需要输入缓冲。 (６)能够用软件改变配置寄存器来适应信号的不同要求，而且设计简单，控制容易。 (７)集成度高，电路不易受干扰。 ４　应用实例 信号采集系统是工业对象检测、控制的重要环节。只有正确地将现场数据采集回来才能进行分析、处理。在工业对象仿真监控装置中，通常由现场传感器获得各类信号，经预处理电路滤波并使其电压值达到Ａ／Ｄ转换器的电压输入范围后，送入Ａ／Ｄ转换器的采集通道。由于本系统不但要求采集现场参数，而且还包括随机干扰和确定性干扰等扰动信号，所以对Ａ／Ｄ转换器的多通道采样的同时性要求很高，ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６Ａ正好满足这种要求。 将ＭＡＸ１５６的ＭＯＤＥ端悬空、Ｖｓｓ接－５Ｖ可选择正负双极性转换的输入／输出模式。ＡＴ８９Ｃ５２作为微处理器，主要用来控制ＭＡＸ１５６按实际需要进行单极或双极性、单端或差分等各种形式的转换，各引脚连接如图４所示。图中，四路采样信号ＶＩＮ１～ＶＩＮ４经过预处理后，经限幅电路可分别输入到ＭＡＸ１５６的四个模拟输入端ＡＩＮ１～ＡＩＮ４。ＭＡＸ１５６的外部时钟范围为０．５～５ＭＨｚ，所以，电路中将单片机ＡＴ８９Ｃ５２的外部时钟频率１１．０５９ＭＨｚ，通过４位二进制计数器７４ＬＳ９３进行四分频后，送入ＭＡＸ１５６的外部时钟端。采样转换时，ＡＴ８９Ｃ５２给出一个ＷＲ脉冲，并在ＷＲ的下降沿开始转换，此时ＡＤＣ的ＲＡＭ地址计数器复位到０，在转换结束后，ＡＴ８９Ｃ５２通过连续ＲＤ的脉冲顺序读出ＲＡＭ中的数据。第一次读出的是最低通道的转换结果，后续ＲＤ脉冲顺序读出余下通道的转换结果。 图4 在使用ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６时，根据笔者的经验，应注意以下几个问题： （１）内部的２．５ Ｖ基准源输出端（ＲＥＦＯＵＴ）必须通过１个４．７μＦ的电解电容和１个０．１μＦ的瓷片电容旁路到模拟地，以保证器件的稳定性。 （２）如果在ＲＥＦＩＮ端接入外部基准源，那么ＲＥ-ＦＯＵＴ必须接旁路电容，或者将ＲＥＦＯＵＴ端连接到ＶＤＤ，这样可以防止振荡输出和在ＡＤＣ中产生转换噪声，这样做的缺点是电源关断模式中的电流会比给定值大２５０μＡ。 （３）为了减小耗尽电流ＭＡＸ１５６内部的参考电压在电源关断期间将被关闭。当恢复正常运行ＰＤ＝０时需要约５ｍｓ的时间，以使参考电压在转换执行前给其４．７μＦ旁路电容充电。如果采用一个外部参考电压并且在电源关断期间一直保持那么，在设置ＰＤ为０后的５０μｓ内，转换就能开始。 （４）ＶＤＤ应通过１个４．７ μＦ的电解电容和１个０．１μＦ的瓷片电容接到模拟地。如果输入信号低于地电平，必须使用负电源，在这种情况下ＶＳＳ应通过１个４．７μＦ的电解电容和１个０．１μＦ的瓷片电容接到模拟地，这样可保持供电电压的稳定。 （５）内部参考电压需要４．７μＦ和０．１μＦ的电容来并联旁路。如果用外部参考电压就需要在紧挨着芯片处通过一个４．７μＦ电容旁路ＲＥＦＩＮ到模拟地 也就是说，ＲＥＦＯＵＴ必须保持旁路到模拟地或者接ＶＤＤ。 （６）由于ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６的Ｔ／Ｈ放大器的输入阻抗很高，因此，通常不再需要输入缓冲电路。而且ＭＡＸ１５５／ＭＡＸ１５６的所有Ｔ／Ｈ可同时采样。为了得到最佳的转换结果，模拟输入不应高于ＶＤＤ＋５０ ｍＶ或低于ＶＳＳ－５０ｍＶ。 （７） 采集一个通道的输入信号所需要的时间取决于通道输入电容充电的速度。如果输入信号的源阻抗很高，那么采集时间就比较长，在这种情况下，两次转换之间的间隔时间应长一些，采集时间一般不小于８００ｎｓ。其采集时间ｔＡＣＱ的计算公式如下 ｔＡＣＱ＝８ＲＳ＋ＲＩＮ%26;#215;４ｐＦ（不小于８００ｎｓ） 其中，ＲＩＮ应选为１５ｋΩ，ＲＳ为输入信号源电阻 转换时间ｔＣＯＮＶ则可由下式决定： ｔＣＯＮＶ＝２%26;#215;９Ｎ／ｆＣＬＫ 其中，Ｎ是转换通道数，ｆＣＬＫ是外部时钟。