[导读] 最高18位分辨率、10 MSPS 采样速率的逐次逼近型模数转换器（ADC）可以满足许多数据采集应用的需求，包括便携式、工业、医疗和通信应用。本文介绍如何初始化逐次逼近型 ADC 以实现有效转换。
关键词：逐次逼近型模数转换器ADCSAR
最高18位分辨率、10 MSPS 采样速率的逐次逼近型模数转换器（ADC）可以满足许多数据采集应用的需求，包括便携式、工业、医疗和通信应用。本文介绍如何初始化逐次逼近型 ADC 以实现有效转换。
逐次逼近型架构
逐次逼近型ADC由4个主要子电路构成：采样保持放大器（SHA）、模拟比较器、参考数模转换器（DAC）和逐次逼近型寄存器（SAR）。由于 SAR 控制着转换器的运行，因此，逐次逼近型转换器一般称为SAR ADC。
图 1 基本 SAR ADC 架构
在上电和初始化之后，CONVERT 上的一个信号会启动转换。开关闭合，将模拟输入连接至 SHA，后者获得输入电压。当开关断开时，比较器将确定模拟输入（此时存储于保持电容）是大于还是小于 DAC 电压。开始时，最高有效位（MSB）开启，将 DAC 输出电压设为中间电平。在比较器输出建立之后，如果 DAC 输出大于模拟输入，逐次逼近寄存器将关闭 MSB；如果输出小于模拟输入，则会使其保持开启。下一个最高有效位会重复这一过程，如果比较器确定 DAC 输出大于模拟输入，则关闭 MSB；如果输出小于模拟输入，则会使其保持开启。这个二进制搜索过程将持续下去，直到寄存器中的每一位都测试完毕为止。结果得到的 DAC 输入是采样输入电压的数字近似值，并由 ADC 在转换结束时输出。
与 SAR转换代码相关的因素
本文将讨论与有效首次转换相关的下列因素：
- 电源顺序（AD765x-1）
- 访问控制（AD7367）
- RESET （AD765x-1/AD7606）
- REFIN/REFOUT （AD765x-1）
- 模拟输入建立时间（AD7606）
- 模拟输入范围（AD7960）
- 省电/待机模式（AD760x）
- 延迟（AD7682/AD7689、AD7766/AD7767）
- 数字接口时序
- 电源序列
些采用多个电源的ADC拥有明确的上电序列。AN-932 应用笔记电源序列列为这些ADC电源的设计提供了良好的参考。应该特别注意模拟和参考输入，因为这些一般不得超过模拟电源电压0.3 V 以上。 因此， AGND – 0.3 V 《 VIN 《 VDD + 0.3 V 且 AGND – 0.3 V 《 VREF 《 VDD + 0.3V。 模拟电源应在模拟输入或基准电压之前开启，否则，模拟内核可能会以闩锁状态上电。类似地，数字输入应在 DGND − 0.3 V和VIO + 0.3 V之间。I/O电源必须在接口电路之前（或与其同时）开启，否则，这些引脚上的ESD二极管可能变成正偏，而且数字内核可能以未知状态上电。
电源斜坡过程中的数据访问
在电源稳定之前不得访问ADC，因为这样可能使其进入未知状态。在图 2 所示例子中，主机FPGA正在尝试从AD7367 读取数据，而DVCC正在斜升，结果可能使ADC进入未知状态。
图 2 在 DVCC 斜升过程中读取数据
通过复位实现 SAR ADC初始化
许多SAR ADC（如AD760x和AD765x-1）在上电后需要通过 RESET来实现初始化。在所有电源都稳定之后，应施加一个指定的RESET脉冲，以确保ADC以预期状态启动，同时使数字逻辑控制处于默认状态，并清除转换数据寄存器。上电时，电压开始在REFIN/REFOUT 引脚上建立，ADC进入采集模式，同时配置用户指定模式。完全上电后，AD760x应看到一个上升沿RESET将其配置为正常工作模式。RESET高脉冲宽度典型值为50nss。建立基准电压
ADC 将模拟输入电压转换成指向基准电压的数字代码，因此，基准电压必须在首次转换前稳定下来。许多 SAR ADC 都有一个 REFIN/REFOUT 引脚和一个 REF 或 REFCAP 引脚。外部基准电压可能会通过 REFIN/REFOUT 引脚过驱内部基准电压源，或者，内部基准电压源可能会直接驱动缓冲。REFCAP 引脚上的电容会使内部缓冲输出去耦，而这正是用于转换的基准电压源。图 3 所示为 AD765x-1 数据手册中的参考电路示例。
图 3 AD765x-1 参考电路
确保 REF 或 REFCAP 上的电压在首次转换之前已建立。压摆率和建立时间因不同的储能电容而异，如图 4 所示。
图 4 AD7656-1 REFCAPA/B/C 引脚在不同电容下的电压斜坡
另外，设计不佳的参考电路可能导致严重的转换错误。参考电路问题最常见的表现是“粘连”代码，其原因可能是储能电容的尺寸和位置、驱动强度不足或者输入存在大量噪声。 精密逐次逼近型ADC的基准电压源设计 计作者：Alan Walsh （模拟对话第47卷第 2期，2013年）详细讨论了SAR ADC的基准电压源设计。
模拟输入建立时间
对于多通道、多路复用应用，驱动器放大器和 ADC 的模拟输入电路必须使内部电容阵列以 16 位水平（0.00076%）建立满量程阶跃。不幸的是，放大器数据手册一般将建立精度指定为 0.1%或 0.01%。指定的建立时间可能与 16 位精度的建立时间显著不同，因此选择驱动器之前应进行验证。
要特别注意多路复用应用中的建立时间。在多路复用器切换之后，要确保留出足够的时间，以便模拟输入能在转换开始之前建立至指定的精度。在配合 AD7606 使用多路复用器时，应为±10-V输入范围留出至少 80 µs的时间，为±5-V范围留出至少 88 µs，以便给选定通道足够的时间来建立至 16 位分辨率。面向精密SAR模数转换器的前端放大器和RC滤波器设计作者：Alan Walsh（模拟对话 话第 46 卷第 4 期，2012 年）为放大器的选择提供了更多细节。
模拟输入范围
确保模拟输入处于指定的输入范围之内，要特别注意指定共模电压的差分输入范围，如图 5 所示。
图 5 共模电压下的全差分输入
例如，AD7960 18位、 5 MSPS SAR ADC的差分输入范围为–VREF 至 +VREF， 但折合到地的 VIN+ 和 VIN− −都应该处于–0.1 V至 VREF + 0.1 V的范围内，且共模电压应为 VREF/2左右，如表1所示。
表 1 AD7960的模拟输入规格
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