高速ADC转换电路设计思路解析

ADC/DAC（Analog to Digital Converter/ Digital to Analog Converter，即模数转换器/数模转换器）是大多数系统中必不可少的组成部件，用于将连续的模拟信号转换成离散的数字信号，或者将离散的数字信号转换成连续的模拟信号，它们是连接模电电路和数字电路必不可少的桥梁。在很多场合下，ADC/DAC 的转换速度甚至直接决定了整个系统的运行速度。

本篇博文为各位分享一种高速ADC和DAC转换电路。高速ADC选用芯片为：AD9280/3PA9280（两款芯片兼容），高速DAC选用芯片为：AD9708/3PD9708E（两款芯片兼容）。

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高速ADC转换电路

AD9280 是 ADI 公司生产的一款单芯片、8 位、32MSPS（Million Samples Per Second，每秒采样百万次）模数转换器，具有高性能、低功耗的特点。

AD9280 的内部功能框图如下图所示：

AD9280 在时钟（CLK）的驱动下工作，用于控制所有内部转换的周期；AD9280 内置片内采样保持放大器（SHA），同时采用多级差分流水线架构，保证了 32MSPS 的数据转换速率下全温度范围内无失码；AD9280 内部集成了可编程的基准源，根据系统需要也可以选择外部高精度基准满足系统的要求。

AD9280 输出的数据以二进制格式表示，当输入的模拟电压超出量程时，会拉高 OTR（out-of-range）信号；当输入的模拟电压在量程范围内时，OTR 信号为低电平，因此可以通过 OTR 信号来判断输入的模拟电压是否在测量范围内。

AD9280 的时序图如下图所示：

模拟信号转换成数字信号并不是当前周期就能转换完成，从采集模拟信号开始到输出数据需要经过 3 个时钟周期。比如上图中在时钟 CLK 的上升沿沿采集的模拟电压信号 S1，经过 3 个时钟周期后（实际上再加上 25ns 的时间延时），输出转换后的数据 DATA1。需要注意的是，AD9280 芯片的最大转换速度是32MSPS，即输入的时钟最大频率为 32MHz。

AD9280 支持输入的模拟电压范围是 0V 至 2V，0V 对应输出的数字信号为 0，2V 对应输出的数字信号为 255。而 AD9708 经外部电路后，输出的电压范围是-5V~+5V，因此在 AD9280 的模拟输入端增加电压衰减电路，使-5V~+5V 之间的电压转换成 0V 至 2V 之间。那么实际上对我们用户使用来说，当 AD9280 的模拟输入接口连接-5V 电压时，AD 输出的数据为 0；当 AD9280 的模拟输入接口连接+5V 电压时，AD 输出的数据为 255。

当 AD9280 模拟输入端接-5V 至+5V 之间变化的正弦波电压信号时，其转换后的数据也是成正弦波波形变化，转换波形如下图所示：

输入的模拟电压范围在-5V 至 5V 之间，按照正弦波波形变化，最终得到的数据也是按照正弦波波形变化。

高速ADC转换电路设计思路如下所示：

高速ADC转换电路设计如下所示：

图中输入的模拟信号 SMA_IN（VI）经过衰减电路后得到 AD_IN2（VO）信号，两个模拟电压信号之间的关系是 VO=VI/5+1，即当 VI=5V 时，VO=2V；VI=-5V 时，VO=0V。

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高速DAC转换电路

AD9708 是 ADI 公司（Analog Devices，Inc.，亚德诺半导体技术有限公司）生产的 TxDAC 系列数模转换器，具有高性能、低功耗的特点。AD9708 的数模转换位数为 8 位，最大转换速度为 125MSPS（每秒采样百万次 Million Samples per Second）。

AD9708 的内部功能框图如下图所示：

AD9708 在时钟（CLOCK）的驱动下工作，内部集成了+1.2V 参考电压(+1.20V REF)、运算放大器、电流源（CURRENT SOURCE ARRAY）和锁存器（LATCHES）。两个电流输出端 IOUTA 和 IOUTB 为一对差分电流，当输入数据为 0（DB7~DB0）时，IOUTA 的输出电流为 0，而 IOUTB 的输出电流达到最大，最大值的大小跟参考电压有关；当输入数据全为高点平（DB7~DB0=8’hff）时，IOUTA 的输出电流达到最大，最大值的大小跟参考电压有关，而 IOUTB 的输出电流为 0。AD9708 必须在时钟的驱动下才能把数据写入片内的锁存器中，其触发方式为上升沿触发，AD9708 的时序图如下图所示：

上图中的 DBO-DB7 和 CLOCK 是 AD9708 的 8 位输入数据和为输入时钟，IOUTA 和 IOUTB 为AD9708 输出的电流信号。由上图可知，数据在时钟的上升沿锁存，因此我们可以在时钟的下降沿发送数据。需要注意的是，CLOCK 的时钟频率越快，AD9708 的数模转换速度越快，AD9708 的时钟频率最快为125Mhz。

IOUTA 和 IOUTB 为 AD9708 输出的一对差分电流信号，通过外部电路低通滤波器与运放电路输出模拟电压信号，电压范围是-5V 至+5V 之间。当输入数据等于 0 时，AD9708 输出的电压值为 5V；当输入数据等于 255时，AD9708 输出的电压值为-5V。

AD9708 是一款数字信号转模拟信号的器件，内部没有集成 DDS（Direct Digital Synthesizer，直接数字 式频率合成器）的功能，但是可以通过控制 AD9708 的输入数据，使其模拟 DDS 的功能。例如，我们使用AD9708 输出一个正弦波模拟电压信号，那么我们只需要将 AD9708 的输入数据按照正弦波的波形变化即可，下图为 AD9708 的输入数据和输出电压值按照正弦波变化的波形图。

由上图可知，数据在 0 至 255 之间按照正弦波的波形变化，最终得到的电压也会按照正弦波波形变化，当输入数据重复按照正弦波的波形数据变化时，那么 AD9708 就可以持续不断的输出正弦波的模拟电压波形。需要注意的是，最终得到的 AD9708 的输出电压变化范围由其外部电路决定的，当输入数据为 0 时，AD9708 输出+5V 的电压；当输入数据为 255 时，AD9708 输出-5V 的电压。

由此可以看出，只要输入的数据控制的得当，AD9708 可以输出任意波形的模拟电压信号，包括正弦波、方波、锯齿波、三角波等波形。

高速DAC转换电路设计思路如下所示：

高速DAC转换电路设计如下所示：

图中输出的一对差分电流信号先经过滤波器，再经过运放电路得到一个单端的模拟电压信号。图中右侧的 W1 为滑动变阻器，可以调节输出的电压范围，推荐通过调节滑动变阻器，使输出的电压范围在-5V 至+5V 之间，从而达到 AD 转换芯片的最大转换范围。

编辑：黄飞