发 帖  
原厂入驻New

[经验] 具有同步串行接口和低通阻开关的12位采样模数转换器

2020-9-8 17:38:19  191 模数转换器
分享
0
特点
•适合汽车应用
•比率转换
•单电源:2.7V至5V
•高达125kHz的转换率
串行接口
•可编程8位或12位分辨率
•2个辅助模拟输入
•完全断电控制
应用
•个人数字助理
•便携式仪器
•销售点终端
•寻呼机
•触摸屏显示器
说明
ADS7843-Q1是一个12位采样模数转换器(ADC),具有同步串行接口和低通阻开关,用于驱动触摸屏。在125kHz吞吐量和+2.7V电源条件下,典型功耗为750μW。参考电压(VREF)可以在1V和+VCC之间变化,提供0V到VREF的相应输入电压范围。该设备包括一种关机模式,可将典型功耗降低到0.5μW以下。ADS7843-Q1的工作电压为2.7V。
低功耗、高速和板载交换机使ADS7843-Q1成为电池供电系统的理想选择,例如带有电阻式触摸屏的个人数字助理和其他便携式设备。ADS7843-Q1采用SSOP-16封装,温度范围为-40°C至+85°C。

订购信息

(1)、有关最新的软件包和订购信息,请参阅本文档末尾的软件包选项附录。
典型特征
TA=25°C,VDD=5 V(除非另有说明)。

操作理论
ADS7843-Q1是一种典型的逐次逼近寄存器(SAR)ADC。该结构基于电容再分配,其固有的采样和保持功能。该变换器采用0.6μmcmos工艺制作。
ADS7843-Q1的基本操作如图12所示。该设备需要一个外部基准和一个外部时钟。它的工作电压为2.7V到5.25V。外部参考电压可以是1V和+VCC之间的任何电压。参考电压的值直接设置转换器的输入范围。平均参考输入电流取决于ADS7843-Q1的转换率。
转换器的模拟输入通过四通道多路复用器提供。低导通电阻开关的独特配置允许一个未选择的ADC输入通道提供电源,以及一个附带的引脚为外部设备提供接地。通过保持到转换器的差分输入和差分参考结构,可以消除开关的导通电阻误差(如果这是特定测量的误差源)。
模拟量输入
有关ADS7843-Q1上的输入多路复用器、ADC的差分输入和转换器的差分基准的框图,请参见图13。表1和表2显示了A2、A1、A0和SER/DFR控制位与ADS7843-Q1配置之间的关系。控制位通过DIN引脚串行提供。有关详细信息,请参阅本数据表的数字接口部分。
当转换器进入保持模式时,+IN和–IN输入之间的电压差(见图13)被捕捉到内部电容器阵列上。模拟输入端的输入电流取决于设备的转换率。在采样期间,电源必须对内部采样电容器(通常为25pF)充电。电容器充满电后,就没有进一步的输入电流了。从模拟源到转换器的电荷传输速率是转换速率的函数。

参考输入
+REF和–REF之间的电压差(如图13所示)设置模拟输入范围。ADS7843-Q1将在1V至+VCC范围内工作。关于参考输入及其宽电压范围,有几个关键项目。随着参考电压的降低,每个数字输出代码的模拟电压权重也减小。这通常被称为LSB(最低有效位)大小,等于参考电压除以4096。随着参考电压的降低,ADC中固有的任何偏移或增益误差都将以LSB的大小来增加。例如,如果给定转换器的偏移量为2LSB,参考电压为2.5V,则通常为5LSB,参考电压为1V。在相同的情况下,每个装置的实际偏移量为1.22mV。低噪声、低噪声、低噪声、低噪声、低噪声、低噪声的电源。
输入到VREF输入端的电压没有缓冲,直接驱动电容器数模转换器ADS7843-Q1的(CDAC)部分。通常,输入电流为13μA,VREF=2.7V,F采样=125kHz。根据转换的结果,该值将变化几微安。参考电流随转换率和参考电压的增加而减小。由于在时钟周期内,每个时钟周期的基准电流都不会很快减少。
开关驱动器打开的情况下进行测量时,还有一个关于参考的关键项目。对于这个讨论,考虑一下ADS7843-Q1的基本操作是很有用的,如图12所示。这个特殊的应用程序显示了用于数字化电阻式触摸屏的设备。通过将X+输入连接到ADC,打开Y+和Y-驱动器,将X+上的电压数字化(如图14所示),可以测量定点设备的当前Y位置。对于该测量,X+导线中的电阻不影响转换(它确实会影响稳定时间,但电阻通常很小,因此不必担心)。

然而,由于Y+和Y-之间的电阻相当低,Y驱动器的导通电阻确实会产生微小的差别。在目前概述的情况下,无论指针设备在触摸屏上的哪个位置,都不可能实现0V输入或全刻度输入,因为内部开关会损失一些电压。此外,内部开关电阻不太可能跟踪触摸屏的电阻,从而提供了额外的误差源。这种情况可以补救,如图15所示。通过将SER/DFR位设置为低,+REF和–REF输入直接连接到Y+和Y–。这使得A/D转换率成了一种计量方法。转换的结果始终是外部电阻的百分比,而不管它与内部开关的导通电阻的关系如何变化。请注意,在使用比例工作模式时,有一个关于功耗的重要考虑因素,有关更多详细信息,请参阅功耗部分。关于差分参考模式的最后一点,它必须与+VCC一起用作+REF电压源,而不能与VREF一起使用。可以使用VREF上的高精度基准和单端参考模式进行无需比例计量的测量。或者,在某些情况下,可以直接从精密基准为转换器供电。大多数参考可以为ADS7843-Q1提供足够的电源,但它们可能无法为外部负载(如电阻式触摸屏)提供足够的电流。

数字接口
图16显示了ADS7843-Q1数字接口的典型操作。此图假定数字信号源是具有基本串行接口的微控制器或数字信号处理器。处理器和转换器之间的每次通信由八个时钟周期组成。一个完整的转换可以通过三个串行通信完成,在DCLK输入上总共24个时钟周期。
前8个时钟周期用于通过DIN引脚提供控制字节。当转换器有足够的关于以下转换的信息以适当地设置输入多路复用器、开关和参考输入时,转换器进入采集(采样)模式,如果需要,内部开关打开。再过三个时钟周期,控制字节完成,转换器进入转换模式。此时,输入采样和保持进入保持模式,内部开关可能关闭。接下来的12个时钟周期完成了实际的A/D转换。如果转换为比率(SER/DFR低),则在转换过程中内部开关处于打开状态。转换结果的最后一位需要13个时钟周期。还需要三个时钟周期来完成最后一个字节(DOUT将很低)。这些将被转换器忽略。

控制字节
有关控制字节中控制位的位置和顺序,请参见图16。表3和表4给出了有关这些的详细信息一点点。那个第一位,即“S”位,必须始终为高,并指示控制字节的开始。ADS7843-Q1将忽略DIN引脚上的输入,直到检测到起始位。接下来的三个位(A2-A0)选择输入多路复用器的一个或多个激活的输入通道(见表1、表2和图13)。模式位决定每次转换的位数,12位(低)或8位(高)。
SER/DFR位控制参考模式:单端(高)或差分(低)。(差分模式也称为比率模式在单端模式下,转换器的参考电压总是VREF和GND引脚之间的差值。差分模式下,参考电压是当前启用的开关之间的差值。更多信息请参见表1和表2以及图13至图15。最后两位(PD1-PD0)选择断电模式,如表5所示。如果两个输入都很高,则设备始终通电。如果两个输入都低,设备在转换之间进入断电模式。当一个新的转换启动时,设备将立即恢复正常运行,不需要延迟就可以让设备通电,第一次转换将有效。在那里有两种断电模式:一种是禁用PENIRQ,另一种是启用PENIRQ。

每次转换16个时钟
转换n+1的控制位可以与转换“n”重叠,以允许每16个时钟周期进行一次转换,如图17所示。此图还显示了处理器和转换器之间每个字节传输之间可能与其他串行外围设备发生的串行通信。


只要每次转换在启动后1.6毫秒内完成,这是可能的。否则,在输入采样和保持上捕获的信号可能下降到足以影响转换结果的程度。请注意,ADS7843-Q1是完全通电的,而其他串行通信正在进行转换。
数字定时
图19和表6提供了ADS7843-Q1数字接口的详细时序。

数据格式
ADS7843-Q1的输出数据采用直接二进制格式,如图18所示。此图显示给定输入电压的理想输出代码,不包括偏移、增益或噪声的影响。

8位转换
ADS7843-Q1提供了一种8位转换模式,可在需要更快的吞吐量且数字结果不那么关键时使用。通过切换到8位模式,转换提前四个时钟周期完成。这可以与提供12位传输的串行接口一起使用,或者可以通过三个8位传输来完成两个转换。这不仅使每个转换缩短了4位(吞吐量提高了25%),而且每个转换实际上都可以以更快的时钟速率进行。这是因为ADS7843-Q1的内部稳定时间并没有那么关键,要达到8位以上的稳定就足够了。时钟频率可以快50%。更快的时钟速率和更少的时钟周期相结合,使转换率提高了2倍。

功率损耗
ADS7843-Q1有两种主要的电源模式:全功率(PD1-PD0=11B)和自动断电(PD1-PD0=00B)。当以全速运行,每次转换16个时钟时(参见图17),ADS7843-Q1将大部分时间用于获取或转换。几乎没有时间自动关机,假设此模式处于活动状态。因此,全功率模式和自动断电之间的差异可以忽略不计。如果只是通过降低DCLK输入的频率来降低转换率,则两种模式保持大致相等。然而,如果在转换过程中,DCLK频率保持在最大速率,但转换的频率很低,则两种模式之间的差异是显著的。
图20显示了降低DCLK频率(“缩放”DCLK以匹配转换率)或将DCLK保持在最高频率和减少每秒转换次数之间的区别。在后一种情况下,转换器在断电模式下的时间百分比会增加(假设自动断电模式处于活动状态)。
功耗的另一个重要考虑因素是转换器的参考模式。在单端参考模式下,转换器的内部开关只有在获得模拟输入电压时才打开(见图16)。因此,外部设备(例如电阻式触摸屏)仅在采集期间通电。在差分参考模式下,外部设备必须在整个采集和转换期间通电(见图16)。如果转换率很高,这会大大增加功耗。

布局
以下布局建议应提供ADS7843-Q1的最佳性能。然而,许多便携式应用程序在功率、成本、尺寸和重量方面存在矛盾。一般来说,大多数便携式设备都有相当“干净”的电源和接地,因为大多数内部组件的功率非常低。这种情况将意味着较少的旁路转换器的功率和较少的关注接地。不过,每种情况都是独特的,以下建议应仔细审查。
为获得最佳性能,应注意ADS7843-Q1电路的物理布局。基本的SAR结构对电源、基准、接地连接和数字输入上的小故障或突然变化非常敏感,这些变化发生在锁定模拟输出之前比较器,所以,在“n位”SAR转换器的任何单个转换过程中,存在n个窗口,其中大的外部瞬态电压很容易影响转换结果。这种故障可能源于开关电源、附近的数字逻辑和大功率设备。数字输出中的误差程度取决于参考电压、布局和外部事件的精确定时。如果外部事件相对于DCLK输入随时间变化,则错误可能会改变。
考虑到这一点,ADS7843-Q1的电源应该是干净的,并且可以很好地绕过。0.1μF陶瓷旁路电容器应尽可能靠近装置。如果+VCC和电源之间的连接阻抗很高,也可能需要1μF到10μF的电容器。同样,应使用0.1μF绕过参考电容器。如果参考电压源于运算放大器,确保它能驱动旁路电容器而不产生振荡。ADS7843-Q1的吸力非常小平均来自基准的电流,但在短时间内(在转换期间,在DCLK的每个上升沿上)对参考电路提出了更大的要求。
ADS7843-Q1结构对参考输入没有固有的噪声或电压变化抑制能力。当参考输入与电源相连时,这一点尤其值得关注。来自电源的任何噪声和纹波都将直接出现在数字结果中。虽然可以滤除高频噪声,但由于线路频率(50Hz或60Hz)引起的电压变化很难消除。
GND引脚应连接到干净的接地点。在许多情况下,这将是“模拟”地面。避免太靠近微控制器或数字信号处理器接地点的连接。如果必要时,直接从转换器到电源入口或蓄电池连接点进行接地追踪。理想的布局将包括专用于转换器和相关模拟电路的模拟接地层。
在使用电阻式触摸屏的特定情况下,应注意转换器和触摸屏之间的连接。由于电阻式触摸屏的电阻相当低,所以互连应尽可能短而坚固。较长的连接将是一个错误的来源,很像内部开关的导通电阻。同样,当接触电阻随弯曲或振动而变化时,松动的连接可能是一个误差源。


评论

高级模式
您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容图片侵权或者其他问题,请联系本站作侵删。 侵权投诉
发经验
关闭

站长推荐 上一条 /8 下一条

快速回复 返回顶部 返回列表