探索ADC12130/ADC12132/ADC12138：高性能12位A/D转换器的技术剖析

在电子设计领域，模拟 - 数字转换器（ADC）是连接模拟世界和数字世界的关键桥梁。德州仪器（TI）的ADC12130、ADC12132和ADC12138 12位带符号自校准串行I/O A/D转换器，凭借其出色的性能和丰富的功能，在众多应用场景中得到广泛应用。今天，我们就来深入剖析这一系列转换器的特点、应用及设计要点。

文件下载：adc12130.pdf

一、产品概述

ADC12130、ADC12132和ADC12138是12位带符号逐次逼近型A/D转换器，具备串行I/O接口和可配置的输入多路复用器。其中，ADC12132有2通道多路复用器，ADC12138有8通道多路复用器，而ADC12130则是2通道多路复用器且多路复用器输出和ADC输入内部连接。该系列转换器支持多种模式，如单端、差分或伪差分模式，可适应不同的应用需求。

二、关键特性

2.1 串行I/O兼容性

支持MICROWIRE、SPI和QSPI协议，方便与各种微控制器和数字信号处理器进行通信。

2.2 自校准功能

转换器可进行自校准，将线性度、零位和满量程误差调整到通常小于±1 LSB，无需额外的零位或满量程调整。

2.3 可编程特性

具备可编程的采集时间、可变的数字输出字长和格式，可根据具体应用进行灵活配置。

2.4 低功耗模式

支持掉电模式，有效降低功耗，延长电池供电设备的续航时间。

三、应用领域

该系列转换器适用于多种应用场景，如笔式计算机、数字化仪和全球定位系统等，为这些设备提供高精度的模拟信号数字化解决方案。

四、关键规格参数

4.1 分辨率与转换时间

分辨率为12位带符号，12位带符号转换时间最大为8.8 μs，吞吐量时间最大为14 μs。

4.2 线性误差

积分线性误差最大为±2 LSB，确保转换结果的准确性。

4.3 电源与功耗

支持3.3V或5V单电源供电，功耗低。如在+3.3V供电时，最大功耗为15 mW，掉电模式下典型功耗为40 μW。

五、引脚描述

转换器的引脚功能丰富，涵盖了模拟输入、数字输入输出、时钟和控制信号等。以下是部分关键引脚的功能：

5.1 模拟输入引脚（CHO - CH7、COM）

用于连接模拟信号源，通过DI引脚的地址信息选择输入通道。

5.2 多路复用器输出引脚（MUXOUT1、MUXOUT2）

多路复用器的输出，通常连接到ADC输入引脚（A/DIN1、A/DIN2）。

5.3 数据输出引脚（DO）

输出转换结果和转换器状态数据，在CS为低电平时为有效推挽输出。

5.4 串行数据输入引脚（DI）

用于输入配置数据，在SCLK上升沿将数据移入多路复用器地址和模式选择寄存器。

5.5 转换控制引脚（CONV）

低电平时可对转换器进行模式编程或配置更改，高电平时进入只读数据模式。

六、电气特性

6.1 静态特性

包括分辨率、积分线性误差、差分非线性、满量程误差和偏移误差等，自校准后各项误差指标均能满足高精度应用需求。

6.2 动态特性

如信号 - 噪声加失真比（S/(N+D)）和 -3 dB全功率带宽等，反映了转换器对交流信号的处理能力。在不同输入频率下，S/(N+D)表现良好，全功率带宽可达数十kHz。

6.3 输入输出特性

涉及参考输入电容、模拟输入电容、输入泄漏电流和多路复用器特性等，为电路设计提供了重要参数。

七、应用信息

7.1 数字接口

7.1.1 接口概念

上电后，首次通过DI输入的指令可启动自校准。自校准完成后，可通过读取状态寄存器确定校准是否结束，之后再启动转换。在转换过程中，不能读取状态，否则会影响转换结果。

7.1.2 配置更改

转换器上电默认配置为12位带符号分辨率、12或13位MSB优先、10 CCLK采集时间等。更改采集时间和符号位开关需要发送8位指令，而选择多路复用器地址和格式化输出数据的指令会启动转换。

7.1.3 CS低电平连续考虑

当CS持续为低电平时，必须发送准确数量的SCLK脉冲，否则会导致通信失步。恢复同步的最简单方法是对设备进行电源循环。

7.1.4 模拟输入通道选择

通过DI输入的数据可选择通道配置，在每次新转换开始前重新选择输入通道。

7.1.5 电源管理

可通过PD引脚或DI输入指令实现硬件或软件的电源上下电。在转换过程中进行电源操作会导致转换结果出错。

7.1.6 用户模式和测试模式

可通过指令将转换器置于测试模式，此时CH0 - CH7变为有源输出。若不慎进入测试模式导致通信失步，可通过电源循环恢复同步。也可通过发送特定指令序列将设备返回用户模式。

7.1.7 无转换读取数据

将CONV线置高可在不启动新转换的情况下读取特定转换的数据。数据会保留在输出寄存器中，直到CS变为低电平。

7.1.8 欠压情况

当电源电压降至约2.7V以下时，内部寄存器可能丢失内容。恢复正常工作的可靠方法是将电源电压降至0.5V以下，然后重新编程并进行校准。

7.2 模拟多路复用器

7.2.1 配置选项

ADC12138的模拟输入多路复用器可配置为4个差分通道或8个单端通道，或两者的任意组合。差分配置下，模拟输入成对分配；单端配置下，COM引脚作为伪地。

7.2.2 偏置电路

针对不同的操作模式，如单端、伪差分和全差分操作，需要不同的偏置电路。单端操作时，符号位始终为低；伪差分操作可采用信号AC耦合或使用参考电压偏置放大器电路；全差分操作可充分利用转换器的数字输出范围。

7.3 参考电压

参考电压由 $V{REF}^{+}$ 和 $V{REF}^{-}$ 之间的电压差定义，驱动这两个引脚的电压源必须具有低输出阻抗和低噪声。转换器可用于比例或绝对参考应用，推荐使用一些具有高精度和低温度系数的参考电压源。同时，参考电压输入有一定的范围限制，$V{REF}^{+}$ 不能低于 $V{REF}^{-}$ ，且 $V_{REF}$ 共模范围也有特定要求。

7.4 模拟输入电压范围

转换器的全差分ADC生成的二进制补码输出可通过特定公式计算。输入电压范围和参考电压决定了输出代码的范围，通过示例可以更直观地了解不同输入和参考电压组合下的输出代码。

7.5 输入电流与源阻抗

在采集窗口开始时，模拟输入引脚会有充电电流，其峰值取决于输入电压极性、源阻抗和内部多路复用器开关导通电阻。对于低阻抗电压源，在采样保持（S/H）的采集时间内，输入充电电流会衰减到不会引入转换误差的水平；对于高源阻抗，可增加S/H的采集时间。可通过特定公式计算不同分辨率下所需的采集时间时钟周期数。

7.6 输入旁路电容与噪声

在模拟输入引脚和模拟地之间连接外部电容（0.01 μF - 0.1 μF）可过滤因长输入引线产生的感应噪声，且不会降低转换精度。同时，应尽量缩短模拟多路复用器输入引脚的引线长度，以减少输入噪声和时钟频率耦合。

7.7 电源与接地

电源线上的噪声尖峰可能导致转换误差，尤其是在自动归零或线性校正期间。推荐使用低电感钽电容（10 μF或更大）与0.1 μF单片陶瓷电容并联作为最小电源旁路电容，并为 $V{A}^{+}$ 和 $V{D}^{+}$ 分别使用旁路电容，且尽量靠近引脚放置。此外，通过合理的接地技术，如使用单独的模拟和数字区域，可最大化转换器的性能。

7.8 时钟信号隔离

为优化转换器性能，应将模拟输入/输出和参考信号导体与CCLK和SCLK引脚的时钟信号导体尽量分开，建议保持至少7到10倍时钟走线高度的间距。

7.9 校准与自动归零

上电后，待电源、参考和时钟稳定后，需要启动校准周期，以确定采样数据比较器的偏移电压、线性度和增益误差的校正值，并将这些值存储在内部RAM中。在环境温度或电源电压变化较大时，可使用自动归零周期来校正零位误差。

7.10 动态性能

对于需要对交流信号进行数字化的应用，动态性能指标如信号 - 噪声比（S/N）、信号 - 噪声加失真比（S/(N+D)）、有效位数、全功率带宽、孔径时间和孔径抖动等非常重要。可使用快速傅里叶变换（FFT）方法测量ADC的交流性能，根据不同频率下的S/(N+D)曲线可评估转换器的动态特性。

7.11 RS232串行接口

提供了一个与IBM及兼容PC的RS232接口原理图，通过电平转换器将RS232信号连接到转换器的DI、SCLK和DO引脚，并使用D触发器生成 $overline{CS}$ 信号。同时，还给出了一个用Microsoft QuickBasic编写的示例程序，用于向转换器发送数据模式选择指令。

八、总结

ADC12130、ADC12132和ADC12138系列A/D转换器以其高精度、灵活性和低功耗等优点，为电子工程师提供了一个强大的模拟信号数字化解决方案。在设计过程中，需要充分考虑其电气特性、引脚功能和应用要点，合理配置参数，优化电路设计，以确保转换器在各种应用场景中都能发挥最佳性能。希望本文能为大家在使用该系列转换器时提供有益的参考，你在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。