AD7880：高性能12位A/D轉(zhuǎn)換器的全面解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，A/D轉(zhuǎn)換器是實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵組件。AD7880作為一款高性能的12位A/D轉(zhuǎn)換器，憑借其出色的特性和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，受到了眾多電子工程師的青睞。本文將對(duì)AD7880進(jìn)行詳細(xì)解析，幫助工程師們更好地了解和應(yīng)用這款器件。

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一、AD7880簡(jiǎn)介

AD7880是一款高速、低功耗的12位A/D轉(zhuǎn)換器，采用單一+5V電源供電。它集成了3μs的跟蹤/保持放大器、12μs的逐次逼近型ADC、多功能接口邏輯和多輸入范圍電路，還具備電源節(jié)省功能。該器件采用Analog Devices的Linear Compatible CMOS (LC2MOS)工藝制造，有24引腳的塑料或密封雙列直插式封裝（DIP）以及小型24引腳SOIC封裝可供選擇。

二、產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

2.1 快速轉(zhuǎn)換時(shí)間

AD7880的轉(zhuǎn)換時(shí)間為12μs，采集時(shí)間為3μs，這使得它能夠處理大輸入信號(hào)帶寬。這種性能非常適合電信、音頻、聲納和雷達(dá)信號(hào)處理等領(lǐng)域的應(yīng)用。例如，在雷達(dá)信號(hào)處理中，快速的轉(zhuǎn)換時(shí)間可以確保及時(shí)準(zhǔn)確地采集和處理雷達(dá)回波信號(hào)。

2.2 低功耗

在掉電模式下，AD7880的功耗僅為2mW，這使其非常適合便攜式、手持和電池供電的應(yīng)用。對(duì)于一些需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行且對(duì)功耗要求嚴(yán)格的設(shè)備，如便攜式醫(yī)療設(shè)備、手持?jǐn)?shù)據(jù)采集器等，AD7880的低功耗特性可以顯著延長(zhǎng)設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間。

2.3 多輸入范圍

該器件具有三個(gè)用戶可確定的輸入范圍，分別為0V至+5V、0V至10V和±5V。這些單極性和雙極性范圍可以通過(guò)單一5V電源實(shí)現(xiàn)，為不同的應(yīng)用場(chǎng)景提供了更多的選擇。例如，在一些需要處理不同電壓范圍信號(hào)的工業(yè)控制和測(cè)量系統(tǒng)中，AD7880的多輸入范圍特性可以滿足多樣化的需求。

三、技術(shù)參數(shù)詳解

3.1 動(dòng)態(tài)性能

• 信噪比（SNR）：最小為70dB，典型值為72dB。SNR是衡量ADC輸出信號(hào)質(zhì)量的重要指標(biāo)，較高的SNR意味著信號(hào)中的噪聲成分較少，能夠更準(zhǔn)確地還原原始信號(hào)。
• 總諧波失真（THD）：典型值為 -80dB。THD反映了ADC輸出信號(hào)中諧波成分的比例，較低的THD表示輸出信號(hào)更接近原始信號(hào)，失真較小。
• 互調(diào)失真（IMD）：包括二階和三階項(xiàng)，典型值均為 -80dB。IMD用于衡量ADC在處理多個(gè)輸入信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物的大小，較低的IMD可以保證信號(hào)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。

3.2 直流精度

• 分辨率：12位，這意味著AD7880可以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為4096個(gè)不同的數(shù)字值，能夠提供較高的測(cè)量精度。
• 積分非線性（INL）：最大為±1 LSB，反映了ADC實(shí)際轉(zhuǎn)換特性與理想轉(zhuǎn)換特性之間的偏差。
• 微分非線性（DNL）：最大為±1 LSB，用于衡量相鄰兩個(gè)數(shù)字輸出之間的差異。
• 滿量程誤差：不同版本的器件有不同的滿量程誤差，如AD7880BN的滿量程誤差為±15 LSB，AD7880CN的滿量程誤差為±5 LSB。
• 雙極性零誤差：同樣，不同版本的器件雙極性零誤差也有所不同，如AD7880BN的雙極性零誤差為±10 LSB，AD7880CN的雙極性零誤差為±5 LSB。

3.3 模擬輸入

• 輸入電壓范圍：支持0至VREF、0至2VREF和±VREF三種范圍，通過(guò)不同的輸入連接方式可以實(shí)現(xiàn)不同的輸入范圍配置。
• 輸入電阻：不同輸入范圍下的輸入電阻有所不同，例如在0至VREF范圍下，輸入電阻為10MΩ min。

3.4 參考輸入

• 參考電壓（VREF）：通常建議將參考輸入連接到VDD，參考電壓為5V，典型值為8kΩ，允許的偏差為±5%。
• 參考電流（IREF）：最大為1.5mA。

3.5 邏輯輸入和輸出

• 邏輯輸入：包括CONVST、RD、CS、CLKIN和MODE等輸入引腳，每個(gè)引腳都有特定的功能和電氣參數(shù)要求。例如，CONVST引腳用于啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，其輸入高電壓VINH為2.4V min，輸入低電壓VINL為0.8V max。
• 邏輯輸出：DB11 - DB0為三態(tài)數(shù)據(jù)輸出引腳，BUSY為狀態(tài)輸出引腳。輸出高電壓VOH為4.0V min，輸出低電壓VOL為0.4V max。

3.6 轉(zhuǎn)換時(shí)間和吞吐量

• 轉(zhuǎn)換時(shí)間：最大為12μs，跟蹤/保持采集時(shí)間為3μs。
• 吞吐量時(shí)間：等于轉(zhuǎn)換時(shí)間加上跟蹤/保持采集時(shí)間，對(duì)于2.5MHz的輸入時(shí)鐘，吞吐量時(shí)間為15μs。

四、工作原理與電路設(shè)計(jì)

4.1 轉(zhuǎn)換周期

AD7880的轉(zhuǎn)換周期由CONVST脈沖的上升沿觸發(fā)。當(dāng)CONVST脈沖上升時(shí)，跟蹤/保持放大器進(jìn)入“保持”模式，轉(zhuǎn)換周期開(kāi)始。轉(zhuǎn)換周期通常需要26至28個(gè)時(shí)鐘周期，最大指定轉(zhuǎn)換時(shí)間為12μs。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，BUSY輸出保持低電平，輸出數(shù)據(jù)總線驅(qū)動(dòng)器處于三態(tài)。轉(zhuǎn)換完成后，BUSY輸出變?yōu)楦唠娖?，此時(shí)可以通過(guò)將CS和RD引腳置低來(lái)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。

4.2 跟蹤/保持放大器

AD7880采用電荷平衡比較器，為用戶提供了固有的跟蹤/保持功能。跟蹤/保持放大器能夠在小于3μs的時(shí)間內(nèi)以12位精度采集輸入信號(hào)，確保了信號(hào)的準(zhǔn)確采集和轉(zhuǎn)換。

4.3 參考輸入和模擬輸入

• 參考輸入：為了獲得指定的性能，建議將參考輸入連接到VDD。雖然器件可以在低至2.5V的參考電壓下工作，但性能會(huì)有所下降。
• 模擬輸入：AD7880有兩個(gè)模擬輸入引腳VINA和VINB，通過(guò)板上的衰減網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)不同的輸入范圍。用戶可以根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的輸入范圍和連接方式。

4.4 時(shí)鐘輸入

AD7880指定使用2.5MHz的時(shí)鐘連接到CLKIN輸入引腳。該引腳可以直接由CMOS或TTL緩沖器驅(qū)動(dòng)，時(shí)鐘的占空比可以在40/60至60/40之間變化。需要注意的是，時(shí)鐘頻率的降低可能會(huì)導(dǎo)致精度性能略有下降，這是由于內(nèi)部跟蹤/保持放大器中保持電容的泄漏效應(yīng)引起的。

五、誤差調(diào)整

在一些應(yīng)用中，需要對(duì)AD7880的偏移和滿量程誤差進(jìn)行調(diào)整，以確保輸入信號(hào)范圍與ADC的最大動(dòng)態(tài)范圍匹配。以下是具體的調(diào)整方法：

5.1 單極性調(diào)整

• 偏移誤差調(diào)整：對(duì)于0V至5V的單極性輸入配置，首先將0.61mV（1/2 LSB）的輸入電壓施加到V1，然后調(diào)整運(yùn)算放大器的偏移電壓，直到ADC輸出代碼在0000 0000 0000和0000 0000 0001之間閃爍。
• 滿量程誤差調(diào)整：將4.9982V（FS - 3/2 LSBs）的輸入電壓施加到V1，然后調(diào)整R2，直到輸出代碼在1111 1111 1110和1111 1111 1111之間閃爍。

5.2 雙極性調(diào)整

• 雙極性零誤差調(diào)整：在雙極性輸入配置中，當(dāng)輸入電壓比地低1/2 LSB（-1.22mV）時(shí)，調(diào)整運(yùn)算放大器的偏移電壓，直到ADC輸出代碼在0111 1111 1111和1000 0000 0000之間閃爍。
• 滿量程誤差調(diào)整：將4.9982V（FS/2 - 3/2 LSBs）的輸入電壓施加到V1，然后調(diào)整R2，直到輸出代碼在1111 1111 1110和1111 1111 1111之間閃爍。

六、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)

6.1 信噪比（SNR）

SNR是衡量ADC輸出信號(hào)質(zhì)量的重要指標(biāo)，它表示信號(hào)的均方根值與噪聲的均方根值之比。對(duì)于AD7880，理論上12位轉(zhuǎn)換器的SNR為74dB。實(shí)際測(cè)量時(shí)，通過(guò)對(duì)ADC輸出頻譜進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT）分析，可以得到SNR數(shù)據(jù)。

6.2 有效位數(shù)

有效位數(shù)（ENOB）是根據(jù)SNR計(jì)算得到的一個(gè)指標(biāo)，它反映了ADC實(shí)際能夠有效轉(zhuǎn)換的位數(shù)。通過(guò)公式(N = frac{SNR - 1.76}{6.02})可以計(jì)算出AD7880的有效位數(shù)。在采樣頻率為61kHz的情況下，對(duì)于頻率高達(dá)12kHz的輸入信號(hào)，有效位數(shù)通常保持在11.5以上。

6.3 總諧波失真（THD）

THD是指諧波的均方根值與基波的均方根值之比。對(duì)于AD7880，THD的計(jì)算公式為(THD = 20 log frac{sqrt{V{2}^{2} + V{3}^{2} + V{4}^{2} + V{5}^{2} + V{6}^{2}}}{V{1}})，其中(V{1})是基波的均方根振幅，(V{2}) - (V_{6})是二次至六次諧波的均方根振幅。THD也可以從ADC輸出頻譜的FFT圖中得到。

6.4 互調(diào)失真（IMD）

當(dāng)輸入包含兩個(gè)不同頻率的正弦波時(shí)，由于器件的非線性特性，會(huì)產(chǎn)生互調(diào)產(chǎn)物。IMD是指互調(diào)產(chǎn)物的均方根值與基波的均方根值之比，通常以dB為單位表示。在計(jì)算IMD時(shí)，需要考慮二階和三階互調(diào)項(xiàng)，因?yàn)樗鼈冊(cè)陬l率上與原始正弦波的關(guān)系不同。

6.5 峰值諧波或雜散噪聲

峰值諧波或雜散噪聲是指ADC輸出頻譜中除直流分量外，下一個(gè)最大分量的均方根值與基波的均方根值之比。通常情況下，這個(gè)指標(biāo)由頻譜中的最大諧波決定，但當(dāng)諧波被噪聲淹沒(méi)時(shí)，峰值將是一個(gè)噪聲峰值。

七、微處理器接口

AD7880的高速總線時(shí)序允許它直接與實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）以及現(xiàn)代高速16位微處理器進(jìn)行接口。以下是幾種常見(jiàn)的接口方式：

7.1 AD7880 - ADSP - 2100接口

通過(guò)定時(shí)器異步驅(qū)動(dòng)CONVST輸入來(lái)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后，AD7880的BUSY線變?yōu)楦唠娖?，通過(guò)反相器驅(qū)動(dòng)IRQ線低電平，向ADSP - 2100提供中斷信號(hào)。轉(zhuǎn)換結(jié)果可以通過(guò)指令(MR0 = DM(ADC))從AD7880讀取到ADSP - 2100中。

7.2 AD7880 - TMS32010接口

同樣使用外部定時(shí)器啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后中斷TMS32010。使用指令(IN D, ADC)從AD7880讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。

7.3 AD7880 - TMS320C25接口

使用定時(shí)器啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后中斷處理器。由于TMS320C25沒(méi)有單獨(dú)的RD輸出，需要通過(guò)處理器的STRB和R/W輸出以及一些邏輯門來(lái)生成RD信號(hào)。轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)指令(IN D, ADC)讀取。

7.4 AD7880 - MC68000接口

使用外部定時(shí)器啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，AD7880的BUSY線可以用于中斷處理器，也可以通過(guò)軟件延遲確保轉(zhuǎn)換完成后再進(jìn)行讀取操作。使用指令(MOVE.W ADC, D0)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。

7.5 AD7880 - 8086接口

由微處理器啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，通過(guò)對(duì)8086的WR信號(hào)和譯碼地址輸出進(jìn)行門控來(lái)實(shí)現(xiàn)。使用指令(MOV AX, ADC)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。

7.6 AD7880 - 6809接口

使用外部定時(shí)器啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后，BUSY觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，驅(qū)動(dòng)6809的IRQ中斷輸入。通過(guò)兩次讀取操作分別獲取AD7880的低8位和高4位數(shù)據(jù)。

八、應(yīng)用提示

8.1 PCB布局

良好的印刷電路板（PCB）布局對(duì)于實(shí)現(xiàn)高速A/D性能至關(guān)重要。在布局時(shí)，應(yīng)盡量將數(shù)字和模擬信號(hào)線分開(kāi)，避免數(shù)字走線與模擬信號(hào)線并行。使用AGND對(duì)模擬輸入進(jìn)行屏蔽，建立單點(diǎn)模擬接地（星形接地），并將所有其他接地和AD7880的DGND連接到該單點(diǎn)模擬接地。同時(shí)，應(yīng)盡量增大模擬和數(shù)字電源供應(yīng)公共返回線的箔寬，使用接地平面可以降低阻抗路徑并保護(hù)模擬電路免受數(shù)字噪聲的影響。

8.2 噪聲處理

為了減少輸入噪聲耦合，應(yīng)盡量縮短輸入信號(hào)引線和信號(hào)返回引線的長(zhǎng)度。在無(wú)法縮短引線長(zhǎng)度的情況下，可以使用屏蔽電纜連接信號(hào)源和ADC。此外，應(yīng)盡量降低接地電路的阻抗，因?yàn)樾盘?hào)源和ADC之間的接地電位差會(huì)作為誤差電壓串聯(lián)在輸入信號(hào)中。

8.3 模擬輸入緩沖

為了獲得指定的性能，建議使用低阻抗源驅(qū)動(dòng)AD7880的模擬輸入（VINA, VINB），這需要使用輸入緩沖放大器。根據(jù)具體應(yīng)用和所需的模擬輸入范圍，可以選擇不同的運(yùn)算放大器配置。例如，對(duì)于0V至5V的輸入范圍，可以使用單電源5V運(yùn)算放大器；對(duì)于0V至10V的輸入范圍，需要連接外部電源到V+；在雙極性操作中，需要將正負(fù)極電源分別連接到V+和V -。

8.4 電源控制

AD7880具有電源節(jié)省功能，可以通過(guò)將MODE輸入引腳置為邏輯低電平并保持RD輸入控制高電平來(lái)將器件置于掉電模式。在掉電模式下，器件的功耗約為2mW。在從掉電模式恢復(fù)后，建議進(jìn)行一次“虛擬”轉(zhuǎn)換，以重置所有內(nèi)部邏輯和控制電路。

九、數(shù)據(jù)采集布局

9.1 電路組成

AD7880的數(shù)據(jù)采集電路除了器件本身外，還需要一個(gè)抗混疊濾波器。PCB上在模擬輸入附近提供了一個(gè)組件網(wǎng)格，可以用于安裝抗混疊濾波器或其他輸入調(diào)理電路。通過(guò)短接LK1，可以將模擬輸入連接到驅(qū)動(dòng)AD7880的緩沖放大器；移除LK1后，需要使用線連接模擬輸入到PCB組件網(wǎng)格。

9.2 接口連接

數(shù)據(jù)采集板上有一個(gè)并行連接端口SKT4，這是一個(gè)26觸點(diǎn)的IDC連接器，提供了與微處理器的直接連接。該連接器包含了AD7880的所有數(shù)據(jù)、控制和狀態(tài)信號(hào)（除了CONVST和CLKIN輸入，它們分別通過(guò)SKT2和SKT3提供）。此外，還包含了譯碼后的R/W和STRB輸入，這對(duì)于與許多微處理器（如TMS320C25和Motorola 68000系列）進(jìn)行接口非常必要。

9.3 電源供應(yīng)

PCB需要一個(gè)單一的+5V電源（標(biāo)記為VDD），良好的去耦可以使該電源驅(qū)動(dòng)AD7880的VDD，同時(shí)也驅(qū)動(dòng)VREF輸入和運(yùn)算放大器的電源。在需要雙極性±5V或單極性0V至10V輸入范圍的情況下，可以連接單獨(dú)的運(yùn)算放大器電源（±15V、±12V、±5V等）到V+和V -。通過(guò)LK2和LK3短接鏈接可以選擇用戶定義的運(yùn)算放大器電源或板載單一+5V電源。

9.4 鏈接選項(xiàng)

在使用數(shù)據(jù)采集板之前，需要設(shè)置七個(gè)鏈接選項(xiàng)：

• LK1：連接模擬輸入到緩沖放大器，也可以將模擬輸入連接到組件網(wǎng)格進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。
• LK2, LK3：允許使用各種運(yùn)算放大器電源來(lái)驅(qū)動(dòng)AD7880的輸入緩沖器，可以選擇連接外部電源到V+和V -，也可以選擇AD7880的+5V系統(tǒng)電源和AGND來(lái)驅(qū)動(dòng)單電源運(yùn)算放大器。
• LK4：配置各種模擬輸入范圍，分別對(duì)應(yīng)0V至5V、0V至10V或±5V。
• LK5：選擇AD7880的VREF參考輸入，通常連接到VDD，也可以連接外部參考。
• LK6：選擇掉電或睡眠模式，短接插頭連接到VDD用于正常操作。
• LK7：將AD7880的RD輸入直接連接到SKT4的RD輸入或譯碼后的STRB和R/W輸入，具體設(shè)置取決于微處理器的要求。

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