深入剖析ADC080x系列8位模数转换器

引言

在电子设计领域，模数转换器（ADC）是连接模拟世界和数字世界的关键桥梁。今天，我们将深入探讨德州仪器（TI）的ADC080x系列8位、与微处理器（µP）兼容的模数转换器，包括ADC0801、ADC0802、ADC0803、ADC0804和ADC0805。这些器件具有诸多出色的特性，广泛应用于各种电子系统中。

文件下载：adc0804-n.pdf

一、产品特性亮点

1. 兼容性与便捷性

ADC080x系列与8080 - µP衍生物兼容，无需额外的接口逻辑，访问时间仅为135 ns。这使得它能够轻松与所有微处理器接口，也可作为独立设备运行，大大简化了设计过程。

2. 输入输出特性

采用差分模拟电压输入，能够有效提高共模抑制比，并可偏移模拟零输入电压值。其逻辑输入和输出满足MOS和TTL电压电平规范，适用范围广泛。

3. 电压参考与时钟

可与2.5 - V（LM336）电压参考配合使用，内部集成时钟发生器。在单5 - V电源下，模拟输入电压范围为0 - V至5 - V，且无需零调整，使用起来更加方便。

4. 封装形式

提供0.3 - 英寸标准宽度20 - 引脚DIP封装、20 - 引脚模制芯片载体或小外形封装等多种选择，满足不同的应用需求。

5. 关键规格

分辨率为8位，总误差有±1/4 LSB、±1/2 LSB和±1 LSB等不同规格可选，转换时间为100 µs，性能表现出色。

二、应用场景广泛

1. 与微处理器配合

可与任何8位µP处理器配合使用，也可作为独立设备运行，适用于各种微处理器系统。

2. 传感器接口

能够与温度传感器、电压源和传感器等进行接口，实现对模拟信号的数字化采集，在工业控制、仪器仪表等领域有着广泛的应用。

三、详细技术解读

1. 器件结构与原理

ADC080x系列是CMOS 8位逐次逼近型转换器，采用差分电位计梯形电路，类似于256R产品。其输出为三态锁存，可直接驱动数据总线，对微处理器而言，这些ADC就像内存位置或I/O端口，无需额外的接口逻辑。

2. 引脚配置与功能

PIN NO.	NAME	I/O	DESCRIPTION
1	CS	I	芯片选择
2	RD	I	读取
3	WR	I	写入
4	CLK IN	I	外部时钟输入或使用内部时钟发生器与外部RC元件
5	INTR	O	中断请求
6	V IN (+)	I	差分模拟输入+
7	V IN (–)	I	差分模拟输入–
8	A GND	I	模拟接地引脚
9	V REF /2	I	参考电压输入，用于调整以校正满量程读数
10	D GND	I	数字接地引脚
11	DB7	O	数据位7
12	DB6	O	数据位6
13	DB5	O	数据位5
14	DB4	O	数据位4
15	DB3	O	数据位3
16	DB2	O	数据位2
17	DB1	O	数据位1
18	DB0 (LSB)	O	数据位0
19	CLK R	I	内部时钟发生器的RC定时电阻输入引脚
20	V CC (or V REF )	I	+5V电源电压，也是梯形电路的上参考输入

3. 电气特性

绝对最大额定值

在不同的工作条件下，对电源电压、输入输出电压、引脚温度、存储温度和封装功耗等都有明确的限制。例如，电源电压（V CC）最大值为6.5 V，超过这些限制可能会对器件造成永久性损坏。

ESD额定值

人体模型（HBM）的静电放电额定值为±800 V，在使用和处理过程中需要注意静电防护。

推荐工作条件

推荐的VCC范围为4.5 - 5.5 V，模拟输入电压范围为GND - 0.05至V CC + 0.05 V DC，在这个范围内使用可以保证器件的性能和稳定性。

热信息

不同封装形式的器件在热阻、热特性参数等方面有所不同。例如，NFH（PDIP）封装的ADC080x和ADC0804 DW（SOIC）封装的ADC0802在结到环境热阻、结到外壳热阻等方面存在差异，在设计散热方案时需要考虑这些因素。

电气特性

不同型号的器件在总调整误差、V REF /2输入电阻、模拟输入电压范围、直流共模误差和电源灵敏度等方面有各自的规格。例如，ADC0801的总调整误差为±1/4 LSB，这些参数对于评估器件的性能和选择合适的型号非常重要。

交流电气特性

转换时间、时钟频率、时钟占空比和转换速率等交流特性也有明确的规定。例如，在f CLK = 640 kHz时，转换时间为103 - 114 µs，时钟频率范围为100 - 1460 kHz。

4. 功能模式

模拟输入模式

• 正常模式：由于内部开关动作，模拟输入会有位移电流流动，但这些电流瞬变在内部时钟的前沿出现，会迅速衰减，不会导致误差，因为片上比较器在时钟周期结束时进行选通。
• 故障模式：如果施加到V IN (+)或V IN (–)引脚的电压源超过允许的工作范围（V CC + 50 mV），大的输入电流可能会通过寄生二极管流向V CC引脚，此时应添加外部二极管进行旁路。

数字控制输入

数字控制输入（CS、RD和WR）满足标准TLL逻辑电压电平，且为低电平有效，便于与微处理器控制总线接口。在非微处理器应用中，可将CS输入接地，通过WR输入的低电平脉冲启动转换，通过RD输入的低电平实现输出使能。

四、应用与实现案例

1. 测试ADC转换器

一种简单的测试方法是向转换器施加已知的模拟输入电压，并使用LED显示数字输出代码。为了便于测试，可将V REF / 2引脚提供2.560 V DC的电压，V CC电源电压使用5.12 V DC。对于更高速的测试系统或需要绘制数据的情况，可使用数字 - 模拟转换器作为精密电压源。

2. 微处理器接口

与8080微处理器衍生物接口

该转换器可直接与8080微处理器的衍生物接口，可映射到内存空间或作为I/O设备进行控制。在较大的微处理器系统中，建议使用总线驱动器以满足数据总线的负载要求。

与INS8048接口

接口技术相对简单，利用8048的额外I/O线，将其中一条I/O线作为芯片选择信号，RD、WR和INT信号直接连接到ADC，转换后的数据存储在片上RAM中。

与Z - 80接口

Z - 80的控制总线与8080略有不同，需要将IORQ和RD、WR信号进行组合。在I/O空间中操作时，CPU会自动插入一个等待状态，为I/O设备提供更多的响应时间。

与6800微处理器衍生物接口

6800微处理器衍生物使用单R/W线和p2时钟进行控制，ADC可在6800系统中进行内存映射。在接口设计中，可使用DM8092进行CS解码，或直接使用已解码的线连接到ADC的CS引脚。

3. 典型应用

8080接口

在8080接口应用中，利用差分模拟电压输入可实现偏移和共模抑制，同时可通过调整参考电压来适应不同的模拟输入电压范围。在设计过程中，需要考虑输入电流、噪声、参考电压等因素。

多个ADC与MC6800 CPU接口

采用多个ADC0801系列与MC6800 CPU接口的方案，可同时对多个模拟通道进行转换，提高系统的处理效率。所有中断信号进行或运算，确保所有ADC完成转换后再中断微处理器。

自动归零差分传感器放大器与ADC转换器

利用ADC0801系列的差分输入特性，可消除差分传感器的差分 - 单端转换需求，减少一个运算放大器的使用。通过自动归零子程序可消除前置放大器的输入失调电压误差。

多个ADC与Z - 80型微处理器接口

在数据采集系统中，当多个ADC转换器中断微处理器的程序执行时，可通过DM74LS373进行解码，确定哪个ADC完成转换并请求中断，按照优先级顺序读取数据。

4. 系统示例

文档中还给出了多种系统示例，如零偏移和跨度调整、低电平信号直接转换、µP接口比较器等，展示了ADC080x系列在不同场景下的应用方法和设计思路。

五、设计注意事项

1. 电源供应

要确保集成电路的电源极性正确，避免反向连接。在V CC供应线上的噪声尖峰可能会导致转换误差，建议在转换器V CC引脚附近使用低电感、低ESR的钽旁路电容，并使用单独的5 - V电压调节器来减少数字噪声。

2. 布局设计

逻辑信号导线和引线应与模拟信号引线分开布局，避免模拟输入引线暴露在外，以免引入数字噪声和60 - Hz干扰。建议使用单点模拟接地，并将电源旁路电容连接到数字接地，V REF / 2旁路电容、模拟输入滤波电容和输入信号屏蔽应连接到模拟接地。

3. 静电放电防护

这些器件的内置ESD保护有限，在存储或处理过程中，应将引脚短路或放置在导电泡沫中，防止MOS栅极受到静电损坏。

六、总结

ADC080x系列8位模数转换器以其出色的兼容性、丰富的功能和广泛的应用场景，成为电子工程师在设计中常用的器件之一。在实际应用中，我们需要根据具体的需求选择合适的型号，并注意电源供应、布局设计和静电防护等问题，以确保器件的性能和系统的稳定性。希望通过本文的介绍，能帮助大家更好地了解和使用ADC080x系列转换器。

你在使用ADC080x系列器件的过程中遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。