2階Δ-∑調(diào)節(jié)器ADS1202的原理和應(yīng)用

    摘要：ADS1202是美國德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的1-Bit 10MHz 2階Δ-∑精密信號調(diào)節(jié)器芯片。文中詳細(xì)介紹了ADS1202的技術(shù)特點(diǎn)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理和實(shí)際應(yīng)用方法，同時(shí)提高了在設(shè)計(jì)電路時(shí)使用ADS1202需要特別注意的技術(shù)問題。

    關(guān)鍵詞：Δ-∑精密調(diào)節(jié)器 A/D變換 測量 ADS1202

1 概述

ADS1202是一種高精度、80dB動(dòng)態(tài)范圍的Δ-∑調(diào)節(jié)器，其工作電源為+5V。該芯片的差分輸入端可直接與傳感器或低電平信號相連，并具有合適的數(shù)字濾波器和調(diào)制速率，可以完成16-bit模數(shù)變換（A/D），而且不會(huì)遺漏代碼。在調(diào)節(jié)速率為10MHz、數(shù)字濾波器帶寬為10kHz情況下，該器件可保持12bit的有效分辨率。ADS1202適合用于中等分辨率的測量，其應(yīng)用領(lǐng)域包括：電機(jī)電樞電流測量、通用電流測量、精密轉(zhuǎn)換測量、工業(yè)過程控制、重量測量、印刷和便攜儀器、壓力傳感器測量等。

2 主要特性及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

ADS1202是單通道、2階、CMOS模擬調(diào)節(jié)器，主要特性如下：

*具有16bit分辨率；

*具有13bit線性度；

*具有分辨率/速度交替切換功能：10bit有效分辨率時(shí)具有20μs的信號延遲；12bit有效分辨率時(shí)具有77μs的信號延遲；

*使用5V單電源是的輸入范圍為±250mV；

*增益誤差為2%；

*具有四種不同方式的串行接口；

*可由分解相位或曼徹斯特譯碼實(shí)現(xiàn)成對的二進(jìn)制譯碼，適用于一線接口連接。

    ADS1202采用8腳TSSOP封裝，其外形和管腳排列圖1所示，各管腳的功能如表1所列，由于ESD可能造成器件損壞，故在使用時(shí)要采取適當(dāng)?shù)姆婪洞胧?BR>
表1 管腳功能

ADS1202的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，從圖中可以看出：該芯片由2階Δ-∑調(diào)節(jié)器、20MHz的RC振蕩器、接口電路、2.5基準(zhǔn)電壓源以及一個(gè)緩沖器組成。應(yīng)用時(shí)，芯片的工作電壓不允許超過6V，數(shù)字輸入電壓范圍：GND-0.3V~VDD+0.3V，模擬輸入電壓范圍：GND-0.4V~VDD+0.3V，芯片的功耗為0.25W。

3 工作原理

ADS1202用一個(gè)用關(guān)電容電路來完成差分模擬輸入，這個(gè)開關(guān)電容可實(shí)現(xiàn)2階調(diào)節(jié)過程，它可將輸入信號數(shù)字經(jīng)為一個(gè)1-bit數(shù)字流。取樣時(shí)鐘信號（MCLK）提供開關(guān)電流網(wǎng)絡(luò)，而調(diào)帛時(shí)鐘信號用于A/D變換過程，也作為輸出的數(shù)據(jù)幀時(shí)鐘，時(shí)鐘源可位于芯片內(nèi)部也可位于芯片外部。時(shí)鐘的差頻允許隨著解決方案和信號帶寬變化。模擬輸入信號被調(diào)節(jié)器連續(xù)取樣并與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。數(shù)字流出現(xiàn)在變換器的輸出端，它精確地表示了模擬輸入電壓隨時(shí)間的變化情況。

3．1 模擬輸入

ADS1202的模擬輸入完成基于微分調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)。這個(gè)輸入級可實(shí)現(xiàn)低系統(tǒng)噪音、高共模抑帛比（90dB）和極佳的電源抑制比。模擬輸入端的輸入阻抗由輸入電容和調(diào)節(jié)器的時(shí)鐘頻率決定，調(diào)節(jié)器的時(shí)鐘頻率也是調(diào)節(jié)器的取樣頻率。ADS1202的基本輸入結(jié)構(gòu)如圖3所示，輸入阻抗和調(diào)節(jié)器時(shí)鐘頻率之間的關(guān)系是：

AIN（Ω）=10 12/7fMCLK(MHz)

    設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮輸入阻抗的影響，由于輸入級的源極阻抗很高。因此，信號經(jīng)過這個(gè)外部源極阻抗時(shí)將有一部分損失。對ADS1202的模擬輸入信號有兩個(gè)限制，一是決不允許進(jìn)出模擬輸入端的電流超過10mA。二是絕對輸入電壓要保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，如果輸入電壓超過了此限制，變換器前端的保護(hù)二極管將導(dǎo)通。此外，把加到任一輸入端上的電壓維持在規(guī)定的-320mV~+320mV范圍內(nèi)時(shí)，可確保器件的線性度。

3．2 調(diào)節(jié)器

在以方式3工作時(shí)，調(diào)節(jié)器的取樣頻率（CLK）范圍在幾MHz~12MHz之間。根據(jù)時(shí)鐘應(yīng)用的要求可以減小MCLK頻率，但外部的MCLK必需為調(diào)節(jié)器頻率的兩倍。調(diào)帛技術(shù)基于2階、充電平衡A/D變換器，其設(shè)計(jì)構(gòu)想如圖4所示。1bit數(shù)據(jù)變換器（DAC）的模擬輸入電壓和輸出電壓被積分后，在X2和X3處提供了一個(gè)模擬電壓。這一模擬電壓出現(xiàn)在他們各自的積分器上，這些積分的輸出以正或負(fù)方向變化。當(dāng)X4處的信號值等于比較器的基準(zhǔn)電壓時(shí)，比較器的輸出從負(fù)變?yōu)檎驈恼優(yōu)樨?fù)由它的初始狀態(tài)決定。當(dāng)比較器的輸出值從高變?yōu)榈蜁r(shí)，1bit DAC對下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的響應(yīng)由X6處的模擬輸出電壓充電決定，促使積分相應(yīng)的方向進(jìn)行。調(diào)節(jié)器對積分器前端的反饋將迫使積分器輸出端的值去跟蹤輸入的平均值。

    3．3 數(shù)字輸出

當(dāng)一個(gè)外部時(shí)鐘提供給MCLK時(shí)，它被用來作為芯片的系統(tǒng)時(shí)鐘，也可作為數(shù)據(jù)輸出的幀時(shí)鐘。調(diào)節(jié)器輸出端的數(shù)據(jù)是一個(gè)串行流，可通過MDAT管腳在MCLK的下降沿讀取。理論上，0V的輸入差分信號將產(chǎn)生一連串1和0，其中50%的時(shí)間是高電平，50%的時(shí)間是低電平。而256mV的差分輸入信號將產(chǎn)生一連串1和0，其中80%的時(shí)間是高電平；相應(yīng)的，-256mV的差分輸入信號以及產(chǎn)生的一串1和0中，有20%的時(shí)間是高電平，輸入電壓與輸出調(diào)制信號的關(guān)系如圖5所示。

3．4 數(shù)字接口電路

使用加到調(diào)節(jié)器的時(shí)鐘信號（CLK）對與Δ-∑調(diào)節(jié)器輸入端相連的模擬信號進(jìn)行變換，以從Δ-∑調(diào)節(jié)器輸出數(shù)據(jù)。大多數(shù)應(yīng)用中，將Δ-∑調(diào)節(jié)器和DSP或單片機(jī)直接相連以提供兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號。MDAT和MCLK信號提供了最簡易的連接方法，如果要減少連線的數(shù)量，兩個(gè)信號有時(shí)不是最理想的解決辦法。

在精確取樣瞬間，接收器、DSP或其它控制設(shè)備必須對來自調(diào)節(jié)器的輸出數(shù)據(jù)信號進(jìn)行取樣。要做到這一點(diǎn)，必須對接收器的時(shí)鐘信號進(jìn)行取樣，以便與發(fā)送器的時(shí)鐘信號同步。而Δ-∑調(diào)節(jié)器時(shí)鐘信號、接收器、濾波器、以及時(shí)鐘必須同步?？捎萌N方式來獲得這種同步：第一種方式是用Δ-∑調(diào)節(jié)器和濾波器接收來自主時(shí)鐘的時(shí)鐘信號；第二種方式是由Δ-∑調(diào)節(jié)器發(fā)送與數(shù)字信號在一起時(shí)鐘信號；第三種方式是用濾波器獲得來自接收波形本身的時(shí)鐘信號。最佳的解決方案是使用帶有靈活接口的Δ-∑調(diào)節(jié)器ADS1202，它在輸出線MCLK和MDAT上可能提供靈活的輸出形式，因此適用于不同的工作方式。可用控制信號管腳M0和M1來選擇提供的信號類型。

    3．5 靈活的接口電路

ADS1202靈活的接口電路如圖6所示?？刂菩盘朚0和M1進(jìn)入解調(diào)器，解調(diào)輸入碼并選擇所需的工作方式。來自解碼器的五個(gè)解碼信號分別控制RC振蕩器、多路復(fù)用器MUX1、MUX2、MUX3以有MUX4。當(dāng)使用內(nèi)部RC振蕩器時(shí)，來自解碼器的控制信號可控制RC振蕩器。同時(shí)，MUX1用INTCLK信號作MUX1輸出信號的信號源，被送至編碼產(chǎn)生器。如果使用外部時(shí)鐘，則來自解碼器的控制信號將使內(nèi)部的RC振蕩器禁用，并確定MUX1的位置。以便于EXTCLK提供MUX1的輸出信號作為編碼產(chǎn)生器的輸入。

MUX2可用于選擇輸出時(shí)鐘OCLK。設(shè)計(jì)時(shí)，可使用來自解碼器的控制信號控制輸出時(shí)鐘。本設(shè)計(jì)中的兩個(gè)信號均來自編碼產(chǎn)生器，其中一個(gè)是一半的時(shí)鐘頻率（CLK/2），另一個(gè)是四分之一的時(shí)鐘頻率（CLK/4），這兩個(gè)時(shí)鐘即可用作MUX2的輸入時(shí)鐘信號。在OCLK信號上，根據(jù)CLK/2或CLK/4入時(shí)鐘信號。在OCLK信號上，根據(jù)CLK/2和CLK/4控制信號將選擇兩種不同的輸出方式。編碼產(chǎn)生器接收來自MUX1的時(shí)鐘信號并把產(chǎn)生的Δ-∑調(diào)制時(shí)鐘分成CLK/2和CLK/4時(shí)鐘。同時(shí)，來自Δ-∑調(diào)節(jié)器的連續(xù)的數(shù)據(jù)串被編碼器精心處理，以產(chǎn)生成對的二進(jìn)制碼，然后由編碼器輸出到MUX3。

MUX3用于選擇輸出bit連續(xù)數(shù)據(jù)MDAT的來自。來自解碼器的控制信號控制MDAT的來源。進(jìn)入MUX3的兩個(gè)信號一個(gè)直接來自于Δ-∑調(diào)節(jié)器，另一個(gè)來自于編碼器。

解碼器的控制信號可以對MDAT信號選擇兩種不同的輸出方式：即Δ-∑調(diào)帛器的一位連續(xù)數(shù)據(jù)，或相同信號的成對二進(jìn)制碼。來自解碼器的最后一個(gè)控制信號用于控制MUX4，MUX2則用于選擇輸入或輸出時(shí)鐘、MCLK信號。解碼器的控制信號控制著時(shí)鐘的方向，從MUX2進(jìn)入MUX4的一個(gè)信號作為時(shí)鐘信號OCLK，另一個(gè)信號離開MUX4，并提供一個(gè)輸入給MUX1作為外部時(shí)鐘EXTCLK。來自解碼器的控制信號MCLK的方式，有兩種：可以選擇兩種不同的方式，一種是內(nèi)部時(shí)鐘信號的輸出，另一種是外部時(shí)鐘信號的輸入。使用五個(gè)控制信號的解碼電路，可通過多路復(fù)用器設(shè)定理想的工作方式。

3．6 工作方式的設(shè)置

ADS1202有四種工作方式可供選擇，具體選哪一種由管腳M0和M1來決定，其選擇方式如表2所示。

表2 工作方式的選擇

4 應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)例

ADS1202以方式0工作時(shí)的典型應(yīng)用電路如圖7所示。該電路通過分流電阻RSENSE來測量電機(jī)的電樞電流。為了得到更好的性能，信號先要被濾波。R2和C2用于濾除同相輸入端上的噪聲，R3和C3用于濾除后相輸入端上的噪聲，而C4與R2、R3相結(jié)合則可用來濾除共模輸入噪聲。在這個(gè)電路中，分流電阻經(jīng)三條線與ADS1202相連。

芯片的工作電源取自于IGBT上面的驅(qū)動(dòng)電源，為了對電源濾波，建議連接一個(gè)0.1μF的去耦電容，如要更好的濾波，可以另外再加一個(gè)1μ~10μF的電解電容。ADS1202的工作方式控制管腳M0和M1都要接低電平。兩個(gè)輸出信號MCLK和MDAT都要直接與光電耦合器相連，因?yàn)檩敵黾売心芰θヌ峁┖臀胂嗤碾娏?，所以連接光電耦合器可以傳輸正向或反向信號，而不需要給光耦二極管并聯(lián)放電電阻，原因是輸入驅(qū)動(dòng)器有能力保持LED二極管輸出放電。數(shù)字信號處理芯片（DSP）C28X或C24X可以直接連到光耦的兩個(gè)通道的輸出端，在這個(gè)電路中，到達(dá)C28X或C24X的信號是標(biāo)準(zhǔn)的Δ-∑調(diào)制信號，并直接與SPICLK和SPISMO引腳相連。Δ-∑變換器不需要有串行數(shù)據(jù)的字同步。

圖7

    當(dāng)需要減少元件時(shí)，ADS1202以方式2工作時(shí)的電路如圖8所示。圖中，管腳M1為高電平，而M0為低電平，僅同相輸入信號要被濾波，R2和C2用于濾除同相輸入端上的噪聲，反相輸入端直接與GND管腳相連。來自ADS1202的輸出信號是曼徹斯特碼，在這種情況下僅傳輸一路信號，因此可用一個(gè)光電耦合器通道來代替兩個(gè)通道。

5 設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)應(yīng)注意的問題

5．1 工作電源

在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，通常僅需要VDD一個(gè)電源，如果在線路板上有分開的模擬和數(shù)字電源，那么將ADS1202電源同模擬電源相連較為適宜?？刂圃胍舻牧硪环N方法是在ADS1202電源上連接一個(gè)10Ω電阻。在ADS1202的電源管腳上連接一個(gè)電阻和去耦電容可獲得更好的濾波效果。使用的模擬電源必須穩(wěn)定性好、噪聲低。對ADS1202來說，更高的分辨率及電源抑制比將是十分必要的。數(shù)字電源含有高頻噪聲，有可能耦合到ADS1202的模擬部分。這種噪音可能來自于開關(guān)電源、單片機(jī)或數(shù)字信號處理芯片。通常，外部的數(shù)字濾波器能以MCLK的整倍數(shù)抑制高頻噪音。僅僅這些頻率以下和以上的噪音將混入數(shù)字濾波器的傳輸頻帶，從而影響變換結(jié)果。例如：在接通電源后，ADS1202的輸入、VIN+、VIN-和MCLK還不出現(xiàn)，這種情況將引起鎖存。在接通電源之后如果這些信號出現(xiàn)，串連電阻將被用來限制輸入電流。要確定ADS1202和不同電源之間的適當(dāng)連接，實(shí)驗(yàn)是最好的方法。

圖8

    5．2 接地

設(shè)計(jì)時(shí)把模擬和數(shù)字電路部分必須小心清楚的分開，每一部分都要有它們自己的地線，并且不能重迭。變換器下面不要連接地線，但應(yīng)把兩者用適當(dāng)?shù)男盘柧€相連。對于多個(gè)變換器，連接的兩上地線要盡可能靠近所有變換器的一個(gè)中心區(qū)域。在某些情況下，要找到把兩個(gè)地線連到一起的最佳點(diǎn)，必須通過實(shí)驗(yàn)。

5．3 電路的去耦

在ADS1202的電路設(shè)計(jì)中，一定要用好去耦元件，所有的支耦電容，特別是0.1μF的陶恣電容一定要盡可能地安放在靠近去耦管腳。為對VDD至GND去耦，必須將1μF和10μF電容器與0.1μF電容并聯(lián)在一起。對VDD至GND去耦至少要用一個(gè)0.1μF的陶瓷電容，另外，加到每一個(gè)數(shù)字元件上的電源也應(yīng)如此。