與UP兼容的8位高速ADC-MAX165/MAX166
MAX165/166是8位高速(5μs)ADC,它內(nèi)部帶有采樣保持器,轉(zhuǎn)換輸出信號與μP兼容。由于內(nèi)部帶有高速采樣保持電路,因此它級精確地測量高達(dá)50kHz的信號。芯片采用逐次技術(shù)(successive apprximation technique)來達(dá)到快速轉(zhuǎn)換和降低功耗。它采用單一+5V供電,內(nèi)部有一個(gè)1.23V的能隙基準(zhǔn)電壓。
MAX165可對單極性信號(singleended)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,MAX166可對差動(dòng)信號(或叫雙極性信號)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,輸入電壓范圍為0~2VREF。
MAX165/166用片選信號CS和讀信號RD可以很容易控制轉(zhuǎn)換的開始和數(shù)據(jù)的讀取。而信號BUSY則表示轉(zhuǎn)換的開始與結(jié)束。由于轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)以三態(tài)鎖存的方式緩沖輸出,因此MAX165/166能直接掛到μP的數(shù)據(jù)總線或系統(tǒng)I/O口上。MAX165/166的引腳如圖1所示。內(nèi)部原理框圖如圖2所示。
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???????MAX165/166的主要性能參數(shù)如下:
●轉(zhuǎn)換時(shí)間:μs;
●內(nèi)部具有采樣保持電路;
●精度:MAX165A/166A:±1/2LSB;
MAX165B/166B:±1LSB
●50kHz的信號帶寬;
●內(nèi)部1.23V的基準(zhǔn)電壓;
●單一+5V供電;
●100ns的數(shù)據(jù)讀取時(shí)間;
●15mW的典型功耗
MAX165/166各引腳的作用為:
CS:片選信號,低電平有效。當(dāng)CS=0時(shí),表示選中該芯片。
RD:讀信號,低電平有效。
REFOUT:內(nèi)部1.23V基準(zhǔn)電壓輸出端。
MODE:MAX166的方式選擇端。當(dāng)MODE=0時(shí),ADC處于異步轉(zhuǎn)換方式MODE=1時(shí),ADC處于同步轉(zhuǎn)換方式或ROM接口方式。
BUSY:忙輸出端。A/D轉(zhuǎn)換開始時(shí),BUSY變低;轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),BUSY變?yōu)楦唠娖健?
CLK:工作時(shí)鐘引腳。
D7~D0:8條三態(tài)數(shù)據(jù)輸出引腳。D7為高位,D0為低位。
DGND:數(shù)字地。
AGND:模擬地。
REFIN:基準(zhǔn)電壓輸入端,通常為1.23V。
VDD:電源輸入端,通常為+5V。
AIN:模擬輸入端。
AIN-:MAX166差動(dòng)輸入的負(fù)輸入端。
AIN+:MAX166差動(dòng)輸入的正輸入端。
????? 2. 工作原理
圖2中,MAX165/166采用逐次逼近技術(shù)把一個(gè)被測模擬電壓變?yōu)橐粋€(gè)8位數(shù)字輸出代碼。一旦開始轉(zhuǎn)換,MAX1645/166就用一個(gè)內(nèi)部電容采樣輸入。采樣保持如圖3所示。A/D轉(zhuǎn)換開始時(shí),開關(guān)S1閉合,輸入信號被采樣。在CS和RD變低之后第3個(gè)時(shí)鐘的下降沿,開關(guān)S1打開,輸入信號被保持。保持電容CH要想充電至輸入電壓,必須等待最小兩個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間。轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),開關(guān)閉合,輸入信號被采樣。該采樣保持器能采集電壓上升率高達(dá)386mV/μs的模擬信號,因此其輸入模擬信號頻率可害50kHz。模擬開關(guān)的特性將影響采樣保持電容的充電速度。模擬輸入信號源內(nèi)阻應(yīng)低于2kΩ,這樣有利于降低噪聲和直流誤差的影響。在轉(zhuǎn)換期間,應(yīng)盡量減小外部噪聲源的影響,因此轉(zhuǎn)換期間不應(yīng)對芯片進(jìn)行讀寫操作。若轉(zhuǎn)換時(shí)間遠(yuǎn)大于5μs,由于保持電容上的電荷輕微放電,將使轉(zhuǎn)換精度略有下降。芯片上電后,內(nèi)部DAC被鎖定到滿度量程的一半,采樣保持器上的輸入電壓與DAC輸出電壓相比較,如果輸入電壓大于DAC輸出電壓,DAC的最高位為1,否則為0。每次比較后,逐次比較寄存器SAR將保存預(yù)定的結(jié)果,并確定下一次比較。每次保存的結(jié)果都將送不能超過DAC,8個(gè)比較周期后,將有8位數(shù)據(jù)存貯到SAR中,這時(shí)模擬輸入電壓的大小將非常接近于DAC的輸出。轉(zhuǎn)換完畢,轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)在SAR中以鎖存的方式輸出。同時(shí),BUSY變?yōu)楦唠娖?DAC輸出恢復(fù)為滿度量程的一半,等待μP來讀取
數(shù)據(jù)和進(jìn)行下一次轉(zhuǎn)換。
CS和RD邏輯信號用于對轉(zhuǎn)換的初始化和從該芯片中讀取數(shù)據(jù)。MAX165/166有兩個(gè)通用接口方式:慢速存貯器接口方式(slow memory interface mode)和ROM接口方式(ROM interface mode)。另外,MAX166還有一種異步轉(zhuǎn)換方式(asynchronous conversion mode),在該方式下,MAX166能進(jìn)行連續(xù)的轉(zhuǎn)換。
慢速存貯器接口時(shí)序圖如圖4所示。該方式用于和具有等待狀態(tài)能力的μP接口(如8085A),插入等待狀態(tài)至少為5μs。當(dāng)CS和RD為低電平時(shí),對芯片進(jìn)行了一次存貯器讀操作,從而啟動(dòng)了一次轉(zhuǎn)換,BUSY變低。通常,BUSY接不能超過μP的READY引腳,迫使μP進(jìn)入待,在RD變低之后第止個(gè)時(shí)鐘脈沖下降沿,采樣保持器將把它所采樣到的信號加以保持。轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),BUSY信號變?yōu)楦唠娖?新的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)將刷新輸出緩沖存貯器。μP讀取該數(shù)據(jù)即完成了對存貯器的讀操作,MAX165/166的轉(zhuǎn)換速度很快,因而它所引起的μP的插入等待時(shí)間不會(huì)太長。對于工作速度較快的μP,如8085A-2,在每一個(gè)指令周期開始后測試READY輸入引腳的狀態(tài)。為了可靠地插入一個(gè)等待周期,在指令周期開始前BUSY應(yīng)變?yōu)榈碗娖健?085A-2提供一個(gè)SO狀態(tài)信號接于MAX165/166RD輸入引腳。當(dāng)SO引腳變低時(shí),表示將有一個(gè)對MAX165/166的讀操作。慢速存貯器接口方式連接圖如圖5所示。在這種方式下,實(shí)際上是利用RD和BUSY信號為作為與μP的“握手”信號,從而實(shí)現(xiàn)與μP的信息交換。
在ROM方式,μP不需插入一個(gè)待狀態(tài),其時(shí)序如圖6所示。當(dāng)RD和CS為低電平時(shí),讀操作有效,上一次的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被讀取,同時(shí)開始新的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換開始時(shí),BUSY信號變?yōu)榈碗娖?表示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。在BUSY變?yōu)榈碗娖揭郧岸鳵D變?yōu)榈碗娖揭院蟮?個(gè)時(shí)鐘的下降沿,T/H采樣模擬信號。轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),BUSY變?yōu)楦唠娖?。再一個(gè)讀指令將該次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)并啟動(dòng)下一次轉(zhuǎn)換。注意,在BUSY恢復(fù)高是怦以前,RD和CS不能變低,否則不能啟動(dòng)轉(zhuǎn)換,因此,只有在BUSY變?yōu)楦唠娖揭郧?才可以對MAX165/166進(jìn)行一次讀操作。ROM接口方式的連接圖如圖7所示。
如圖MAX166的MODE引腳為低電平,MAX166進(jìn)入連續(xù)讀方式(continuousconversion moe),RD和CS信號只用于從轉(zhuǎn)換器中讀取數(shù)據(jù),該方式也叫異步轉(zhuǎn)換方式,其時(shí)序如圖8所示。在這種方式下,MAX166相當(dāng)于μP的一個(gè)ROM,其數(shù)據(jù)的讀取將不受時(shí)鐘的影響。在BUSY的上升沿,MAX166的輸出鎖存器的內(nèi)容被刷新。當(dāng)BUSY變高時(shí),如果CS和RD為低電平。鎖存器中的數(shù)據(jù)將不能被刷新,必須等到CS和RD變?yōu)楦唠娖綍r(shí),鎖存器中的數(shù)據(jù)才能被刷新。
MAX166可以對差動(dòng)信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換,輸入信號從AIN+和AIN-輸入,差動(dòng)輸入電壓范圍為0~2VREF,如果AIN-接基準(zhǔn)電壓,AIN+端輸入電壓范圍為1.23~3.69V。MAX166的差動(dòng)輸入功能有利于抑制低頻共模干擾。轉(zhuǎn)換開始時(shí),AIN+處的電壓被采樣,該電壓是以AIN-處對地電壓相對穩(wěn)定。否則,將增加轉(zhuǎn)換誤差。轉(zhuǎn)換期間若AIN+發(fā)生變化,轉(zhuǎn)換結(jié)果也將產(chǎn)生相同數(shù)量的誤差。例如,在5μs的轉(zhuǎn)換期間,如果有一個(gè)對地0.5V的60Hz的共模干擾,在轉(zhuǎn)換結(jié)果中將有小于0.1LSB的誤差。共模干擾引起的誤差隨共模電壓幅度和頻率的增加而升高。
為了減小轉(zhuǎn)換誤差,MAX165/166要求基準(zhǔn)源有小的直流和交流阻抗。MAX165/166的基準(zhǔn)源分為內(nèi)部基準(zhǔn)源和外部基準(zhǔn)源兩種。外部基準(zhǔn)源電路如圖10所示。濾波電容可以有效地減小基準(zhǔn)源的AC內(nèi)阻。MAX165/166內(nèi)部有一個(gè)1.23V的能隙基準(zhǔn)電壓,為了減小基準(zhǔn)電壓的內(nèi)阻,通常在 REFOUT端與地之間接一個(gè)鉭電解或鋁電解與一個(gè)0.1μF的瓷片電容并聯(lián)。如果選用外部基準(zhǔn),可把REFOUAT端接至VDD端,以禁止內(nèi)部基準(zhǔn)。
MAX1655/166既可使用內(nèi)部時(shí)鐘工作,也可使用外部時(shí)鐘工作。當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí),外部振蕩信號加在時(shí)鐘引腳CLK上,內(nèi)部電路將該時(shí)鐘二分頻來作為內(nèi)部時(shí)鐘信號。CLK引腳可由74HC系列或4000B系列芯片直接驅(qū)動(dòng),也可由一個(gè)LS系列TTL芯片通過一個(gè)5.6kΩ上拉電阻來驅(qū)動(dòng)。外部時(shí)鐘的占空比可在70/30和30/70之間變化。為了保證精度,時(shí)鐘頻率應(yīng)低于4MHz。
如果在CL引腳的外部接一個(gè)RC
網(wǎng)絡(luò),如圖11所示,則MAX165/166可使用其內(nèi)部振蕩頻率。在每次轉(zhuǎn)換期間,CLK腳形成一個(gè)鋸齒波。轉(zhuǎn)換時(shí),CCLK通過RCLK充電。轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),通過一個(gè)內(nèi)部開關(guān)放電。CLK引腳通過一個(gè)內(nèi)部開關(guān)與VDD相連,內(nèi)部振蕩器停止工作。使用內(nèi)部振蕩源具有硬件簡單的優(yōu)點(diǎn),但其振蕩頻率受RCLK和CCLK大小的影響,因此芯片的轉(zhuǎn)換時(shí)間將受溫度、RCLK及CCLK的影響。
?????? 3. 單極性模數(shù)轉(zhuǎn)換電路
?????? 圖12為由MAX165/166組成的單極性模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。由于 MAX165/166的偏置誤差和滿度誤差很小,大多數(shù)情況下不必考慮這些誤差。如果需要調(diào)節(jié)這些誤差,可按下列步驟進(jìn)行:
?????? 1.偏置誤差的調(diào)節(jié):可以使用一個(gè)運(yùn)算放大器來調(diào)節(jié)偏置誤差,如圖12所示。調(diào)節(jié)R5即可改變偏置誤差的大小。該運(yùn)入實(shí)際上是一個(gè)基準(zhǔn)電壓源,輸出電壓的大小由R5來調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)偏置,使得在輸入信號為0V時(shí),ADC的輸出碼在00000000和00000001之間變化。
??????? 2. 滿量程調(diào)節(jié):滿量程調(diào)節(jié)實(shí)際上是通過調(diào)節(jié)R3使AIN腳電壓為2.445V時(shí),ADC的輸出碼在11111110和1111111之間變化。
??? 圖12中,如果提高運(yùn)放的輸出電壓,使其與模擬輸入電壓的最大值(+2.46V)相等,則模擬輸入電壓的范圍將變?yōu)?2.46V~-2.46V,MAX165將由單極性轉(zhuǎn)換變?yōu)殡p極性轉(zhuǎn)換。SOC開發(fā)平臺360元 豪華單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)498元 單片機(jī)學(xué)習(xí)板138 無線nRF-9E5模塊100元 S3C44B0 ARM7開發(fā)板398元 Genius NSP通用編程器260元 Mini ARM Debugger330元 LABTOOL-48UXP2800元 S3C2410 ARM9開發(fā)板800
??? 為了減小噪聲,AIN引腳和AGND引腳應(yīng)盡量短,也可使用屏蔽電纜或雙絞線。同時(shí),應(yīng)盡量減小ADC地與信號源地的電位差,信號源內(nèi)阻應(yīng)低于2kΩ。線路板上的模擬地和數(shù)字地應(yīng)采用一點(diǎn)接地的方法,電源和基準(zhǔn)電壓都應(yīng)加旁路電容。
- adc(538837)
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