逐次逼近型ADC：确保首次转换有效 - 全文

　　最高18位分辨率、10 MSPS 采样速率的逐次逼近型模数转换器（ADC）可以满足许多数据采集应用的需求，包括便携式、工业、医疗和通信应用。本文介绍如何初始化逐次逼近型 ADC 以实现有效转换。

　　逐次逼近型架构

　　逐次逼近型ADC由4个主要子电路构成：采样保持放大器（SHA）、模拟比较器、参考数模转换器（DAC）和逐次逼近型寄存器（SAR）。由于 SAR 控制着转换器的运行，因此，逐次逼近型转换器一般称为SAR ADC。

　　

　　图 1 基本 SAR ADC 架构

　　在上电和初始化之后，CONVERT 上的一个信号会启动转换。开关闭合，将模拟输入连接至 SHA，后者获得输入电压。当开关断开时，比较器将确定模拟输入（此时存储于保持电容）是大于还是小于 DAC 电压。开始时，最高有效位（MSB）开启，将 DAC 输出电压设为中间电平。在比较器输出建立之后，如果 DAC 输出大于模拟输入，逐次逼近寄存器将关闭 MSB；如果输出小于模拟输入，则会使其保持开启。下一个最高有效位会重复这一过程，如果比较器确定 DAC 输出大于模拟输入，则关闭 MSB；如果输出小于模拟输入，则会使其保持开启。这个二进制搜索过程将持续下去，直到寄存器中的每一位都测试完毕为止。结果得到的 DAC 输入是采样输入电压的数字近似值，并由 ADC 在转换结束时输出。

　　与 SAR转换代码相关的因素

　　本文将讨论与有效首次转换相关的下列因素：

• 　　电源顺序（AD765x-1）
• 　　访问控制（AD7367）
• 　　RESET （AD765x-1/AD7606）
• 　　REFIN/REFOUT （AD765x-1）
• 　　模拟输入建立时间（AD7606）
• 　　模拟输入范围（AD7960）
• 　　省电/待机模式（AD760x）
• 　　延迟（AD7682/AD7689、AD7766/AD7767）
• 　　数字接口时序
• 　　电源序列

　　些采用多个电源的ADC拥有明确的上电序列。AN-932 应用笔记电源序列列为这些ADC电源的设计提供了良好的参考。应该特别注意模拟和参考输入，因为这些一般不得超过模拟电源电压0.3 V 以上。 因此， AGND – 0.3 V 《 VIN 《 VDD + 0.3 V 且 AGND – 0.3 V 《 VREF 《 VDD + 0.3V。 模拟电源应在模拟输入或基准电压之前开启，否则，模拟内核可能会以闩锁状态上电。类似地，数字输入应在 DGND − 0.3 V和VIO + 0.3 V之间。I/O电源必须在接口电路之前（或与其同时）开启，否则，这些引脚上的ESD二极管可能变成正偏，而且数字内核可能以未知状态上电。

　　电源斜坡过程中的数据访问

　　在电源稳定之前不得访问ADC，因为这样可能使其进入未知状态。在图 2 所示例子中，主机FPGA正在尝试从AD7367 读取数据，而DVCC正在斜升，结果可能使ADC进入未知状态。

　　

　　图 2 在 DVCC 斜升过程中读取数据

　　通过复位实现 SAR ADC初始化

　　许多SAR ADC（如AD760x和AD765x-1）在上电后需要通过 RESET来实现初始化。在所有电源都稳定之后，应施加一个指定的RESET脉冲，以确保ADC以预期状态启动，同时使数字逻辑控制处于默认状态，并清除转换数据寄存器。上电时，电压开始在REFIN/REFOUT 引脚上建立，ADC进入采集模式，同时配置用户指定模式。完全上电后，AD760x应看到一个上升沿RESET将其配置为正常工作模式。RESET高脉冲宽度典型值为50nss。

　　建立基准电压

　　ADC 将模拟输入电压转换成指向基准电压的数字代码，因此，基准电压必须在首次转换前稳定下来。许多 SAR ADC 都有一个 REFIN/REFOUT 引脚和一个 REF 或 REFCAP 引脚。外部基准电压可能会通过 REFIN/REFOUT 引脚过驱内部基准电压源，或者，内部基准电压源可能会直接驱动缓冲。REFCAP 引脚上的电容会使内部缓冲输出去耦，而这正是用于转换的基准电压源。图 3 所示为 AD765x-1 数据手册中的参考电路示例。

　　

　　图 3 AD765x-1 参考电路

　　确保 REF 或 REFCAP 上的电压在首次转换之前已建立。压摆率和建立时间因不同的储能电容而异，如图 4 所示。

　　

　　图 4 AD7656-1 REFCAPA/B/C 引脚在不同电容下的电压斜坡

　　另外，设计不佳的参考电路可能导致严重的转换错误。参考电路问题最常见的表现是“粘连”代码，其原因可能是储能电容的尺寸和位置、驱动强度不足或者输入存在大量噪声。 精密逐次逼近型ADC的基准电压源设计 计作者：Alan Walsh （模拟对话第47卷第 2期，2013年）详细讨论了SAR ADC的基准电压源设计。

　　模拟输入建立时间

　　对于多通道、多路复用应用，驱动器放大器和 ADC 的模拟输入电路必须使内部电容阵列以 16 位水平（0.00076%）建立满量程阶跃。不幸的是，放大器数据手册一般将建立精度指定为 0.1%或 0.01%。指定的建立时间可能与 16 位精度的建立时间显著不同，因此选择驱动器之前应进行验证。

　　要特别注意多路复用应用中的建立时间。在多路复用器切换之后，要确保留出足够的时间，以便模拟输入能在转换开始之前建立至指定的精度。在配合 AD7606 使用多路复用器时，应为±10-V输入范围留出至少 80 µs的时间，为±5-V范围留出至少 88 µs，以便给选定通道足够的时间来建立至 16 位分辨率。面向精密SAR模数转换器的前端放大器和RC滤波器设计作者：Alan Walsh（模拟对话 话第 46 卷第 4 期，2012 年）为放大器的选择提供了更多细节。

　　模拟输入范围

　　确保模拟输入处于指定的输入范围之内，要特别注意指定共模电压的差分输入范围，如图 5 所示。

　　

　　图 5 共模电压下的全差分输入

　　例如，AD7960 18位、 5 MSPS SAR ADC的差分输入范围为–VREF 至 +VREF， 但折合到地的 VIN+ 和 VIN− −都应该处于–0.1 V至 VREF + 0.1 V的范围内，且共模电压应为 VREF/2左右，如表1所示。

　　表 1 AD7960的模拟输入规格

　　使 SAR ADC退出关断或待机模式

　　为了节能，有些SAR ADC会在空闲时进入关断或待机模式。在首次转换开始前，要确保ADC退出该低功耗模式。例如， AD7606 系列即提供了两种节能模式：完全关断和待机。这些模式由GPIO引脚STBY 和RANGE进行控制。

　　根据图6所示，当STBY 和RANGE返回高电平时，AD7606从完全关断进入正常工作模式，并配置为±10-V的范围。此时， REGCAPA、REGCAPB和REGCAP引脚上电至数据手册所述的正确电压。在进入待机模式时，上电时间约为 100 μs，但在外部基准电压源模式下，这需要大约13 ms。从关断模式上电时，经过所需的上电时间后，必须施加RESET信号。数据手册将上电与RESET上升沿之间所需时间规定为 tWAKE-UP SHUTDOWN。

　　

　　图 6 AD7606 初始化时序

　　带延迟的 SAR ADC

　　人们普遍认为，SAR ADC 没有延迟，但有些 SAR ADC 确实存在延迟以便更新配置，因此，在经过延迟时间（可能为数个转换周期）之前，第一个有效转换代码可能未定义。

　　例如，AD7985 拥有两种转换工作模式：turbo和正常。Turbo模式（支持最快的转换速率，最高可达2.5 MSPS）不会在转换间关断。turbo模式下的第一次转换含有无意义的数据，应该予以忽略。另一方面，在正常模式下，第一次转换是有意义的。

　　对于 AD7682/AD7689，上电后的前三个转换结果未定义，因为在第二个EOC之前，不会出现有效的配置。因此，需要两次伪转换，如图 7 所示。

　　

　　图 7 AD7682/AD7689 的通用时序

　　当在硬件模式下使用 AD765x-1 时，在 BUSY 信号下降沿对 RANGE 引脚的逻辑状态进行采样，以决定下一次同步转换的模拟输入范围。在有效的 RESET 脉冲之后，AD765x-1 将默认在±4 × VREF 范围内工作，无延迟问题。然而，如果 AD765x-1 工作于±2 × VREF 范围内，则必须利用伪转换周期在 BUSY的第一个下降沿选择范围。

　　另外，有些SAR ADC（如AD7766/AD7767过采样SAR ADC）有后数字滤波器，结果会导致更多延迟。当将模拟输入多路复用至这类ADC时，主机必须等到数字滤波器完全建立后才能获得有效转换结果；经过该建立时间后，方可切换通道。

　　如表 2 所示，AD7766/AD7767 的延迟为 74 除以输出数据速率 （74/ODR）的商值。在运行于最高输出数据速率 128 kHz 时， AD7766/AD7767 支持 1.729 kHz 的多路复用器开关速率。

　　表 2 AD7766/AD7767的数字滤波器延迟

　　数字接口时序

　　最后，但同样重要的是，主机可以通过一些常见的接口选项（如并行、并行 BYTE、IIC、SPI 和菊花链模式下的 SPI）来访问 SAR ADC 的转换结果。要得到有效的转换数据，必须确保遵循数据手册中的数字接口时序规格。

　　结论

　　为了获得 SAR ADC 的第一个有效转换代码，务必遵循本文讨论的建议。可能还需要其他具体配置支持；请查看目标 SAR ADC 数据手册或者应用笔记，了解关于第一个转换周期开始之前初始化的相关内容。

　　参考文献

　　Kester， Walt. Data Converter Support Circuits. Chapter 7， Data Conversion Handbook.

　　Kester， Walt. “Which ADC Architecture Is Right for Your Application？” Analog Dialogue， Volume 39， Number 2， 2005.

　　Walsh， Alan. “Front-End Amplifier and RC Filter Design for a Precision SAR Analog-to-Digital Converter.” Analog Dialogue， Volume 46， Number 4， 2012.

　　作者简介

　　
Steven Xie ［[e-mail]］2011年3月加入 ADI北京分公司，担任ADI中国设计中心的ADC应用工程师。他负责中国市场精密ADC产品的技术支持工作。在此之前，他曾在Ericsson CDMA团队做过四设计人员。2007 年，Steven毕业于北京航空航天大学，并获得通信与信息系统硕士学位。