帶輔助DAC的雙路Σ-Δ轉換器的原理及應用

1. 內(nèi)部框圖
　　AD公司新近推出的這種帶輔助DAC的雙路Σ-Δ模數(shù)轉換器，是一個完整的15位CMOS模數(shù)轉換器件。它采樣速率高，功耗低，且輸入端兼有信號處理功能，接收通道上的兩個帶數(shù)字濾波器的Σ-Δ型ADC合用一個能隙參考基準?？刂艱AC可執(zhí)行AFC的功能，其它輔助功能可以從輔助串行端口獲得，以滿足器件多方面的性能要求。
　　圖1所示為AD7729的內(nèi)部框圖。AD7729主要有兩大部分組成：模數(shù)轉換器和輔助數(shù)模轉換器。模數(shù)轉換器由Σ棪ば虯DC、數(shù)字濾波器、偏移調(diào)整和主串行通訊接口組成；數(shù)模轉換器由10位輔助DAC、輸出緩沖器和輔助串行接口組成。

1.1 模數(shù)轉換器
　　模數(shù)轉換器部分有I和Q兩個通道，分別由一個開關電容濾波器和一個15位的ADC組成。片內(nèi)的數(shù)字濾波器對系統(tǒng)的性能起著關鍵作用，它們的幅頻和相頻響應特性保證了相鄰通道間的相互干擾有極好的抑制性。
　　a. Σ-Δ型ADC
　　開關電容濾波器以13MHz的速率對接收的模擬量進行采樣，其頻率響應如2(a）所示。接收通道上的另一個數(shù)字濾波器的時鐘頻率為6.5MHz，其頻率響應特性如圖2(b）所示。兩濾波器對應的綜合頻率響應如圖2(c）所示。AD7729的接收通道采用了Σ-Δ轉換技術，在片內(nèi)實現(xiàn)系統(tǒng)濾波，從而保證了I和Q 端15位的高精度輸出。具體工作過程是用一個充電平衡的調(diào)制器以6.5MHz的速度對開關電容濾波器的輸出進行采樣，并將其轉化成數(shù)字脈沖串。過高的過采樣速率能分散0?.25MHz的量化噪音，并使它在所關心的頻帶中減小。然后用一高階的調(diào)制器對噪音頻譜整形。再利用數(shù)字濾波器對帶外噪音進行處理，并同時把數(shù)字脈沖轉化成并行的15位二進制數(shù)據(jù)。

　　b. 數(shù)字濾波器
　　它有288個抽頭，建立時間為44.7μs。我們已介紹了它的兩個重要功能：系統(tǒng)的濾波功能和消除帶外量化噪音功能。由此可以看出,它有兩點優(yōu)于模擬濾波器：首先，由于它位于ADC之后，消除A/D轉化過程中產(chǎn)生的噪音；其次，它不僅消除了低通的振鈴，同時還保證了線性相位響應。雖然這些功能都是模擬濾波器很難達到的，但模擬濾波器卻消除了A/D轉化前信號中所帶的噪音。由于噪音的波峰有使模擬調(diào)制解調(diào)器達到飽和的危險，AD7729專門為調(diào)制器和濾波器設置了一個超范圍裕度，允許有100mV的超范圍漂移。
1.2 數(shù)模轉換器
　　a.輔助控制功能
　　該功能是由輔助DAC來實現(xiàn)的。它由幾個高阻抗電流源組成，后接很輕的負載以保證它的直流精度。輔助DAC帶有輸出放大器，可以允許10kΩ的負載電阻。DAC的模擬輸出為2V_REFCAP/32＋(2V_REFCAP－2V_REFCAP/32)×D_AC/1023 。其中：V_REFCAP是參考電壓。D_AC是所要輸出的數(shù)字信號。
　　b.參考電壓和串行端口
　　REFCAP是一個能隙參考基準，不僅噪音低，還可為ADC和輔助DAC提供溫度補償。參考電壓V_REFCAP=1.3V。主串行接口(BSPORT)和輔助串行接口(ASPORT)都是DSP(數(shù)字信號處理器)兼容的串行端口。用戶可自由選擇寄存器與端口的連接方式，還可通過調(diào)整SCLK的頻率來減小功耗。
　　c. 讀/寫操作
　　經(jīng)串行口對寄存器進行的讀和寫操作就是對16位字長的數(shù)據(jù)即10個數(shù)據(jù)位和6個地址位（Rx例外）進行轉換。必須對只讀寄存器給出一定的地址才能從中讀出對應的的內(nèi)容，寫入和讀出的時間間隔大約為4個主時鐘周期。
2. 引腳
　　AD7729采用28引腳TSSOP和28腳SOIC兩種封裝形式。其引腳說明見表1所列。

3. 電路的調(diào)整
3.1 校準
　　數(shù)字濾波器本身就是一種校準方式。一般來說，數(shù)字低通濾波器的每個通道上都有一個偏置寄存器。模擬電路中直流偏置的值便存在里面。一般情況下，在數(shù)據(jù)進入串行輸出引腳之前，濾波器就已將寄存器的偏置信息清除。因此可選用自校準或用戶校準來除去I和Q通道中的偏差。所不同的是自校準只能消除內(nèi)部偏差，而用戶校準則可以通過寫入偏置寄存器的信息來對外部偏差進行校準。偏置寄存器最多能容納162.5mV的直流偏置，超范圍的輸入將會導致錯誤的輸出。然而，當帶有超過100mV偏置的信號進入時，Σ-Δ調(diào)置器會自動換檔。偏置寄存器中補碼的值與Rx的對應關系如圖3所示。

　　AD7729有一個完整的自校準程序：當Rx被置位時，模擬電路和數(shù)字電路的穩(wěn)定需要時間T_SETTLE。只有當主控制寄存器A(BCRA)的Rx_AUTOCAL位處于高電平時，才開始進行校準。在內(nèi)部自校準模式下，AD7729用短路差動輸入來測量ADC中的偏移值；在外部自校準模式下，AD7729維持輸入的正常連接允許系統(tǒng)偏置的存在。Rx_DELAY1和RxD_DELAY2分別為兩個定時器的定時時間，當RxDELAY2到時后，將會輸出15位的無效數(shù)據(jù)。
3.2 Rx的接收過程
　　當Rx置位時，串行端口的SDO腳將以270k字的速率輸出Rx的數(shù)據(jù)。AD7729的輸出結果為16位，即以二進制補碼形式存在的數(shù)據(jù)位和一個志位（LSB），LSB用以區(qū)別I和Q。當LSB=0時，輸出為I，否則為Q。只要RxON處于高電平，串行時鐘的頻率就保持為13MHz，而與時鐘速率寄存器中的值無關。在SDO引腳自動輸出Rx數(shù)據(jù)時，會同時產(chǎn)生幀同步信號，間隔為48個主時鐘周期。輔助串行端口ASPORT和主串行端口BSPORT均能輸出數(shù)據(jù)，但用戶只能根據(jù)需要選擇其一，并且不能同時在兩個端口間進行數(shù)據(jù)交換。
3.3 斷電
　　AD7729的每個部分都能被斷電。Rx模數(shù)轉換器和輔助數(shù)模轉換器可分別通過設定控制寄存器上的適當位來斷電。當AD7729的每個部分都上電時，模擬電路和數(shù)字電路需要一個建立時間，同時參考電壓V_REFCAP也需要一個上電時間。為減少上電所需時間，可將LP置1而使ADC和DAC處于斷電模式，而REFCAP引腳將保持上電模式，不需要上電和建立時間，從而使上電穩(wěn)定工作所需的時間減小。ADC和DAC可通過適當?shù)目刂萍拇嫫鞣謩e斷電，當包括參考基準在內(nèi)的所有元件都處于斷電狀態(tài)時，延遲64個時鐘周期后，主時鐘也停止工作。
3.4 復位
　　引腳RESETB能復位所有的控制寄存器， ASCLKRATE和BSCLKRATE的復位值為4，以保證ASCLK和BSCLK信號的頻率為MCLK的八分之一，其余控制寄存器則被復位為0。同時這些寄存器也能用主寄存器和輔助寄存器上的RESET位復位。所有的輔助寄存器通過給控制寄存器ACRB上的ARETSET位置高電平復位，而主寄存器則通給控制寄存器BCRB上的BRETSET位置高電平來復位，所需時間為4個主時鐘周期。復位后，ARESET和BRESET的復位值為0。寄存器 ARDADDR，BRDADDR，ASCLKRATE，BSCLKRATE只能用復位引腳RESETB復位，所需時間為8個主時鐘周期。控制寄存器的功能見表2所列。

4．接口舉例
　　AD7729還為用戶提供了與DSP兼容的標準串行端口，由ADC的串行時鐘控制串行數(shù)據(jù)和I/O DSP信息。
　　圖4為AD7729與ADI公司的ADSP－21xx的接口原理圖。對于ADSP－21xx，串行端口的控制寄存器必須設置為TFSR=RFSR=1 （保證每個轉換器的幀同步），SLEN=15（16位字長），TFSW=RFSW=0（正常幀同步），INVIFS=INVRFS=0（高有效的幀同步信號），IRFS=0（外部RFS），ITFS=1（內(nèi)部TFS）和ISCLK=0（外部串行時鐘）。
　　AD7729是一種帶輔助DAC的雙路Σ-Δ模數(shù)轉換器，它不僅具有噪音低，精度高，工作速度快等優(yōu)點，并且可與多種DSP接口，通用性很強。所以該器件是新一代理想的數(shù)據(jù)采集和模數(shù)轉換器件，可廣泛應用于通訊、多媒體和高性能儀器中。