低功耗 10 位 ADC——MAX192 的深度剖析與應(yīng)用

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換是一項(xiàng)至關(guān)重要的技術(shù)。ADC（模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器）作為實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，其性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的精度和可靠性。今天，我們就來詳細(xì)了解一款低功耗、8 通道、串行 10 位 ADC——MAX192。

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一、產(chǎn)品概述

MAX192 是一款低成本的 10 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它集成了 8 通道多路復(fù)用器、高帶寬跟蹤/保持電路和串行接口，具備高速轉(zhuǎn)換能力和超低功耗特性，僅需單一的 +5V 電源就能正常工作。其模擬輸入支持軟件配置，可實(shí)現(xiàn)單端和差分（單極性/雙極性）操作。該器件提供了 20 引腳的 DIP、SO 和 SSOP 封裝形式，其中 SSOP 封裝比 8 引腳 DIP 封裝節(jié)省 30% 的空間。此外，它在數(shù)據(jù)格式上與 MAX186/MAX188 具有軟硬件兼容性。

二、產(chǎn)品特性

（一）輸入通道與供電

• 多通道輸入：支持 8 通道單端輸入或 4 通道差分輸入，能滿足不同應(yīng)用場景下對多路信號采集的需求。
• 單電源供電：僅需一個(gè) +5V 電源，簡化了電源設(shè)計(jì)，降低了系統(tǒng)成本。

（二）低功耗設(shè)計(jì)

• 工作與待機(jī)功耗：工作電流僅為 1.5mA，在掉電模式下電流可低至 2μA。通過在轉(zhuǎn)換間隙進(jìn)行掉電操作，在降低采樣率時(shí)，電源電流能降至 10μA 以下，顯著節(jié)省了能源。

（三）采樣性能

• 內(nèi)部跟蹤/保持：集成了內(nèi)部跟蹤/保持電路，采樣率可達(dá) 133kHz，能夠快速準(zhǔn)確地采集模擬信號。
• 高精度參考電壓：內(nèi)部帶有 4.096V 參考電壓，典型漂移為 ±30ppm，并且參考緩沖放大器簡化了增益調(diào)整，兩個(gè)亞 LSB 可減少量化誤差。

（四）接口兼容性

• 串行接口：采用 4 線串行接口，可直接連接 SPI?、QSPI? 和 Microwire? 設(shè)備，無需外部邏輯。同時(shí)，其串行選通輸出可直接連接 TMS320 系列數(shù)字信號處理器。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

MAX192 憑借其出色的性能，在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

• 汽車領(lǐng)域：可用于汽車電子系統(tǒng)中的傳感器信號采集，如溫度、壓力、流量等傳感器的信號轉(zhuǎn)換。
• 消費(fèi)電子：在便攜式設(shè)備、智能家居等產(chǎn)品中，實(shí)現(xiàn)對各種模擬信號的數(shù)字化處理，如音頻、視頻信號的采集。
• 醫(yī)療儀器：滿足醫(yī)療設(shè)備對高精度信號采集的要求，如心電圖儀、血壓計(jì)等。
• 機(jī)器人技術(shù)：為機(jī)器人的各種傳感器提供模擬信號轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對周圍環(huán)境的感知。

四、電氣特性

（一）直流精度

• 分辨率：達(dá)到 10 位，能夠提供較高的精度。
• 相對精度：MAX192A 型的相對精度為 ±1/2 LSB，MAX192B 型為 ±1 LSB，且在不同溫度下無丟失碼，保證了測量的準(zhǔn)確性。
• 差分非線性：DNL 為 ±1 LSB，偏移誤差為 ±2 LSB，增益誤差為 ±2 LSB，這些參數(shù)確保了 ADC 在不同輸入信號下的穩(wěn)定性能。

（二）動(dòng)態(tài)特性

• 信噪比和失真比（SINAD）：達(dá)到 66dB，能夠有效抑制噪聲和失真，提高信號質(zhì)量。
• 總諧波失真（THD）：低至 -70dB，保證了信號的純凈度。
• 無雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）：為 70dB，顯示了 ADC 在處理復(fù)雜信號時(shí)的出色能力。
• 通道間串?dāng)_：為 -75dB，減少了通道之間的相互干擾。

（三）轉(zhuǎn)換速率

• 轉(zhuǎn)換時(shí)間：在外部時(shí)鐘為 2MHz、12 個(gè)時(shí)鐘/轉(zhuǎn)換周期的情況下，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 5.5 - 10μs；使用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，也能保證較快的轉(zhuǎn)換速度。
• 跟蹤/保持采集時(shí)間：tAZ 為 1.5μs，確保了快速采集模擬信號。

五、工作原理

（一）轉(zhuǎn)換技術(shù)

MAX192 采用逐次逼近轉(zhuǎn)換技術(shù)和輸入跟蹤/保持（T/H）電路，將模擬信號轉(zhuǎn)換為 10 位數(shù)字輸出。其等效輸入電路展示了采樣架構(gòu)的細(xì)節(jié)。在單端模式下，IN + 內(nèi)部連接到 CH0 - CH7，IN - 連接到 AGND；在差分模式下，IN + 和 IN - 從 CH0/CH1、CH2/CH3、CH4/CH5 和 CH6/CH7 對中選擇。在差分模式下，僅對 IN + 處的信號進(jìn)行采樣，IN - 需在轉(zhuǎn)換過程中相對于 AGND 保持 ±0.5LSB（最佳為 ±0.1LSB）的穩(wěn)定性，可通過連接 0.1μF 電容到 AIN - 實(shí)現(xiàn)。

（二）跟蹤/保持模式

T/H 電路在 8 位控制字的第 5 位移入后的下降沿進(jìn)入跟蹤模式，在第 8 位移入后的下降沿進(jìn)入保持模式。根據(jù)輸入設(shè)置的不同，可對單端或差分輸入信號進(jìn)行采樣。跟蹤/保持的采集時(shí)間與輸入電容的充電速度有關(guān)，計(jì)算公式為 (t{AZ} = 9(R{S} + R{IN})16 pF)，其中 (R{IN}=5 kΩ)，(R{S}) 為輸入信號的源阻抗，且 (t{AZ}) 不小于 1.5μs。當(dāng)源阻抗低于 5kΩ 時(shí)，對 ADC 的交流性能影響不大；若使用更高的源阻抗，可在模擬輸入處連接輸入電容，但會(huì)形成 RC 濾波器，限制 ADC 的信號帶寬。

（三）輸入帶寬與保護(hù)

ADC 的輸入跟蹤電路具有 4.5MHz 的小信號帶寬，可利用欠采樣技術(shù)對高速瞬態(tài)事件進(jìn)行數(shù)字化處理，并測量帶寬超過采樣率的周期信號。為避免高頻信號混疊到感興趣的頻段，建議使用抗混疊濾波器，如 MAX291 - MAX297 系列。內(nèi)部保護(hù)二極管可將模擬輸入鉗位在 VDD 和 AGND 之間，允許通道輸入引腳在 AGND - 0.3V 至 VDD + 0.3V 范圍內(nèi)擺動(dòng)而不損壞。但為保證滿量程附近的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換，輸入應(yīng)不超過 VDD 50mV 或低于 AGND 50mV。

六、時(shí)鐘模式

（一）外部時(shí)鐘模式

在外部時(shí)鐘模式下，外部時(shí)鐘不僅用于數(shù)據(jù)的移位輸入和輸出，還驅(qū)動(dòng)模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換步驟。控制字節(jié)的最后一位之后，SSTRB 會(huì)有一個(gè)時(shí)鐘周期的高電平脈沖，隨后的 12 個(gè) SCLK 下降沿依次輸出逐次逼近的決策結(jié)果，前 10 位為有效數(shù)據(jù)位，后兩位為亞 LSB 位。當(dāng) CS 為高電平時(shí)，SSTRB 和 DOUT 進(jìn)入高阻態(tài)；CS 再次變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，SSTRB 輸出低電平。若時(shí)鐘周期超過 10μs 或串行時(shí)鐘中斷可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)換間隔超過 120μs，建議使用內(nèi)部時(shí)鐘模式。

（二）內(nèi)部時(shí)鐘模式

內(nèi)部時(shí)鐘模式下，MAX192 內(nèi)部生成轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，減輕了微處理器的負(fù)擔(dān)，允許在零到典型的 10MHz 任意時(shí)鐘速率下讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。轉(zhuǎn)換開始時(shí) SSTRB 變低，轉(zhuǎn)換完成后變高，最多持續(xù) 10μs，在此期間 SCLK 保持低電平可獲得最佳噪聲性能。轉(zhuǎn)換過程中的數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)部寄存器中，轉(zhuǎn)換完成后，SSTRB 變高，下一個(gè) SCLK 下降沿從 DOUT 輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果的 MSB，后續(xù)位以 MSB 優(yōu)先格式輸出。CS 在轉(zhuǎn)換開始后無需保持低電平。當(dāng) CS 為高電平時(shí)，SSTRB 不會(huì)進(jìn)入高阻態(tài)。在內(nèi)部時(shí)鐘模式下，只要最小采集時(shí)間 (t_{AZ}) 保持在 1.5μs 以上，數(shù)據(jù)可以以超過 4.0MHz 的時(shí)鐘速率進(jìn)行移位輸入和輸出。

七、掉電模式選擇

（一）軟件掉電

通過控制字節(jié)的 PD1 和 PD0 位可激活軟件掉電，同時(shí)這兩位也指定了時(shí)鐘模式。軟件掉電時(shí)，ADC 會(huì)在完成當(dāng)前轉(zhuǎn)換后進(jìn)入低靜態(tài)電流狀態(tài)。在內(nèi)部時(shí)鐘模式下，即使 MAX192 已進(jìn)入軟件掉電狀態(tài)，接口仍保持活躍，可讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。

（二）硬件掉電

SHDN 引腳可使轉(zhuǎn)換器進(jìn)入完全掉電模式，與軟件掉電不同，此時(shí)轉(zhuǎn)換會(huì)立即停止。使用外部參考且不關(guān)閉時(shí)，不存在上電延遲。SHDN 引腳還可選擇內(nèi)部或外部參考補(bǔ)償。

（三）功耗分析

MAX192 的自動(dòng)掉電模式在低于最大采樣率運(yùn)行時(shí)可顯著節(jié)省功耗。例如，在每秒最多 500 次轉(zhuǎn)換/通道的情況下，采用全功率掉電模式和內(nèi)部參考補(bǔ)償，在 REFADJ 處使用 0.01μF 旁路電容與內(nèi)部 20kΩ 參考電阻形成 RC 濾波器，上電后需 10 個(gè)時(shí)間常數(shù)（2ms）達(dá)到 10 位精度，在快速掉電模式下等待 2ms 可使功耗降低 10 倍以上。在更高吞吐量下，采用外部參考補(bǔ)償?shù)目焖俚綦娔Ｊ?，轉(zhuǎn)換后等待 50μs 可實(shí)現(xiàn)快速多通道轉(zhuǎn)換與低功耗的結(jié)合。

八、參考電壓選擇

（一）內(nèi)部參考

使用內(nèi)部參考時(shí)，MAX192 在單極性輸入下的滿量程范圍為 4.096V，差分雙極性輸入下為 ±2.048V。內(nèi)部參考電壓可通過參考調(diào)整電路在 ±1.5% 范圍內(nèi)調(diào)整。

（二）外部參考

外部參考可連接到 VREF 端子或 REFADJ 引腳。REFADJ 輸入阻抗典型值為 20kΩ，VREF 處的輸入阻抗直流電流下最小為 12kΩ。轉(zhuǎn)換期間，VREF 處的外部參考需能夠提供高達(dá) 350μA 的直流負(fù)載電流，輸出阻抗應(yīng)不超過 10Ω。若參考電壓輸出阻抗較高或有噪聲，可在 VREF 引腳附近使用 4.7μF 電容進(jìn)行旁路。使用緩沖的 REFADJ 輸入可避免對參考電壓進(jìn)行外部緩沖。

九、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

（一）布局與接地

為獲得最佳性能，建議使用印刷電路板，避免使用繞線板。電路板布局應(yīng)確保數(shù)字和模擬信號線相互分離，避免模擬和數(shù)字（特別是時(shí)鐘）線平行布線，以及數(shù)字線在 ADC 封裝下方走線。應(yīng)建立單點(diǎn)模擬接地（“星形”接地點(diǎn)），所有其他模擬地和 DGND 連接到該點(diǎn)，避免其他數(shù)字系統(tǒng)接地與此單點(diǎn)接地連接。電源接地回路應(yīng)具有低阻抗且盡可能短，以減少噪聲干擾。在靠近 MAX192 處使用 0.1μF 和 4.7μF 旁路電容對 (V_{DD}) 電源進(jìn)行旁路，減少電源中的高頻噪聲對 ADC 高速比較器的影響。若 +5V 電源噪聲較大，可連接 10Ω 電阻作為低通濾波器。

（二）高速數(shù)字接口

MAX192 可通過特定電路與 QSPI 實(shí)現(xiàn)高吞吐量接口。該 QSPI 電路可編程對八個(gè)通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換，結(jié)果存儲在內(nèi)存中，無需 CPU 過多干預(yù)。在外部時(shí)鐘模式下，可對八個(gè)模擬輸入通道進(jìn)行單端、單極性轉(zhuǎn)換。對于與 TMS320 的接口，通過監(jiān)測 MAX192 的 SSTRB 輸出，可確定轉(zhuǎn)換是否完成并接收數(shù)據(jù)。具體操作步驟包括配置 TMS320 的時(shí)鐘、驅(qū)動(dòng) MAX192 的 CS 引腳、寫入 8 位字啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，最后在轉(zhuǎn)換完成后將 CS 置高。

總之，MAX192 以其低功耗、多通道、高精度等特點(diǎn)，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中展現(xiàn)出了強(qiáng)大的優(yōu)勢。電子工程師在設(shè)計(jì)過程中，可根據(jù)具體需求合理選擇其工作模式、掉電模式和參考電壓，同時(shí)注意電路板布局和接地等問題，以充分發(fā)揮該 ADC 的性能。你在使用類似 ADC 時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。