24位Σ-Δ模数转换器AD7787的性能特点及应用中需注意的问题

丁茹,李刚 发表于 2020-08-03 14:48:06 收藏 已收藏
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24位Σ-Δ模数转换器AD7787的性能特点及应用中需注意的问题

丁茹,李刚 发表于 2020-08-03 14:48:06
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1、 概述

AD7787是ADI公司推出的适用于低频测量的低功耗、低噪声、双通道、24位Σ-Δ模数转换器。它利用片内时钟电路工作,因而无需用户提供时钟源。AD7787的数据输出速率可由软件设置,这一特性使其转换速率可在9.5Hz~120Hz之间变化。该芯片采用10脚MSOP封装,非常适合用需要高分辨率、低功耗的便携式仪器、温度测量、传感器测量、称重仪等。

AD7787的主要特点如下:

●可在2.5V~5.25V电压范围内工作。正常模式下的最大工作电流为75μA,掉电模式下为1μA;

●9.5Hz转换速率下的RMS噪声为1.1μV;

●22位有效分辨率时的峰峰值分辨率为19.5位;

●内部非线性度:3.5ppm;

●具有50Hz和60Hz同步抑制功能;

●具有内部时钟振荡器和VDD监控通道;

●内含轨至轨输入缓冲器;

●带有三线制串行接口,与SPI、QSPI、MICROWIRE及DSP兼容;

●工作温度范围为-40~+105℃。

2、 引脚排列及功能

AD7787的引脚排列如图1所示。

24位Σ-Δ模数转换器AD7787的性能特点及应用中需注意的问题

3、 工作原理

AD7787的内部结构功能框图如图2所示。它内部集成了一个Σ-Δ调制器、一个缓冲器和一个片内数字滤波器。数字滤波器的主要功能是提供正常模式抑制。在16.6Hz默认转换速率条件下,它能提供50Hz和60Hz的同步抑制。AD7787采用内部时钟电路工作,因而无需外接时钟源。时钟频率以2、4、8因子分频后应用于调制器和滤波器,从而可降低芯片的功耗。当采用5V单电源供电、缓冲器使能且时钟以最大速率工作时,AD7787的功耗电流最大仅为160μA。

AD7787有5个片内寄存器:通信寄存器、状态寄存器、模式寄存器、滤波器寄存器和数据寄存器。所有对AD7787的设置和控制都是通过这些寄存器来实现的。

AD7787具有三种工作模式,分别为:单转换模式、连续转换模式和连续模式。

3.1 单转换模式

单转换模式时的转换时序如图3所示。此模式下,AD7787在转换期间被置于关闭模式。通过将模式寄存器的MD1位置1、MD0位置0可实现单转换初始化。AD7787上电后首先执行单转换模式,然后返回到关闭模式。此转换需2个ADC时钟周期。转换完成后,DOUT/RDY变低。数据字从数据寄存器读出后,DOUT/RDY变高。而如果CS为低电平,则DOUT/RDY将保持高电平直到另一次转换被初始化并完成。实际上,如果有必要,即使DOUT/RDY已经变为高电平,仍可对数据寄存器进行几次读操作。

3.2 连续转换模式

图4所示是连续转换模式的时序。这是上电缺省模式。AD7787进行连续转换时,状态寄存器内的RDY引脚在每次转换结束后变低。如果CS为低,转换完成后DOUT/RDY线也将变低。用户可通过向通信寄存器进行写操作来说明下一个操作是读数据寄存器。一旦SCLK脉冲应用于ADC,数字转换就被置于DOUT/RDY引脚上。读转换时,DOUT/RDY将返回到高电平。若有需要,用户可再读取几次寄存器,但必须保证数据寄存器在下次转换完成前不被访问,否则新的转换字将会丢失。

3.3 连续读模式

连续读模式时的转换时序如图5所示。此模式下,当用户向通信寄存器写入001111XX后,只需为ADC提供合适的SCLK周期数,系统即可在转换完成后将24位字自动置于DOUT/RDY线。这比每次转换完成后向通信寄存器进行写操作才能访问数据更先进。

实际上,当DOUT/RDY变低表示转换结束时,系统必须向ADC提供足够的SCLK周期,同时将数据转换置于DOUT/RDY线。而当转换结果被读出时,DOUT/RDY返回到高电平直到下一次转换开始。在此模式下,用户只能对数据进行读操作,且必须保证数据字在下一次转换结束前被读出。若用户没有在下一次转换结束前读出数据,或者AD7787没有足够的时间读出,则串行输出寄存器将在下一次转换结束时复位,并保存新的转换结果。通过在RDY引脚变低时间向通信寄存器写入001110XX指令可退出连续读模式。在连续读模式下,如果ADC监视器在DIN线上被激活,它将接收到退出连续读模式的命令。另外,若32个连续1出现在DIN线上,则ADC复位,而且DIN一直保持低电平,直到重新向芯片写指令。

4、 应用中需注意的问题

4.1 模拟输入通道

AD7787缓冲模式下的绝对输入电压范围限制在GND+100mV~VDD-100mV,因此必须小心设置共模电压以免超出限制而降低AD7787的线性度和噪声性能;非缓冲模式下的绝对输入电压范围为GND-100mV~VDD+30mV,此时不能监控对地的、小的真双极性信号。另外需要注意的是,由于非缓冲输入通道给驱动源提供了一个动态负载。因此,连接在输入管脚上的电阻/电容会引起直流增益误差,此误差的大小取决于驱动ADC输入源的输出阻抗。

4.2 参考输入

应用参考输入时应当注意,由于参考输入可能会产生一个高阻抗动态负载。因此,连接在输入管脚上的电阻/电容也可能会引起直流增益误差,此误差的大小取决于驱动参考输入源的输出阻抗。另外,由于推荐使用的参考电压源的输出阻抗较低,因此应REFIN引脚上连接退耦电容,且应以不给系统引入增益误差为原则。通过外部电阻获得的参考输入电压意味着参考输入可看作是一个大的外部源阻抗,故此类型电路配置不推荐在REFIN引脚上外接退耦装置。

4.3 接地和布线

AD7787比传统的高分辨率转换器更能抑制噪声干扰。它的数字滤波器可抑制电源电压上的宽带噪声,并去除来自模拟输入和参考输入的噪声。然而,由于AD7787的分辨率很高,且产生的噪声非常低,因此要合理设计地线和布线。

设计AD7787印刷电路板时,应将模拟部分和数字部分分开,并应将其限制在板内确定的区域。同时应将AD7787的GND引脚与系统的AGND相连。在任一布线层,用户必须留意系统内的电流流动,以保证所有电流的返回路径都尽可能地靠近它们到达目的地所走的路径,以避免数字电流流过板内AGND部分。

为了防止噪声耦合,应在AD7787所在层的下面布一层地线。另外,为降低电源线上的阻抗和减少电源线上的干扰效应,应将AD7787的电源线尽可能加宽。快速转换信号(如时钟信号)必须使用数字地将其屏蔽,以避免其向板内的其它部分辐射噪声。此外,还应避免数字信号和模拟信号的相互干扰。不同相邻层上的走线不要直角走线,以避免产生馈通噪声。

使用高分辨率ADC时,电源和地的去耦设计是至关重要的。为此供电电源VDD应采用电容旁路技术,采用0.1μF的旁路电容并以尽可能短的路径连接各相应的电源和地,这样可旁路掉高频成分,同时,还应并联1个10μF的钽电容旁路低频成分。所有的逻辑芯片均应通过0.1μF陶瓷电容来退耦。

5、 应用电路

电池监测中,通常需要测量电池的电流和电压,具体监控电路如图6所示。图中,电流流经一个100μΩ的电阻器,其值在-200A~+2000A之间变化,该电流的测量可通过AIN1通道与分流电阻直接连接来实现。电池电压的变化范围为12V~42V,峰值电压为60V。在它应用于AD7787之前,使用外部电阻网可衰减此电压。由于AD7787本身带有缓冲器,因此,用户可直接将AIN2通道与高阻抗衰减器电路相连接,而不必担心会引入增益误差。

责任编辑:gt

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