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1 引言
美國模擬器件公司（ADI）發布了一種創新的半導體制造工藝，這種工藝技術是將高電壓半導體工藝與亞微米CMOS和互補雙極型工藝相結合，并將該工藝命名為iCMOS（工業CMOS）。使諸如工廠自動化和過程控制等高電壓應用在性能、設計和節省成本方面均得到極大提升。iCMOS能把更多的信號鏈路功能集成在一個尺寸比以前小很多的芯片內，并且不犧牲性能，將數字邏輯電路與高速模擬電路集成在一起，并且采用前所未有的小尺寸封裝，提供更高的性能和更低的功耗。AD7656就是采用iC-MOS工藝制造的，是高集成度、6通道16-bit逐次逼近（SAR）型ADC，內含1個2.5V基準電壓源和基準緩沖器。該器件的功耗比最接近的同類雙極型ADC降低了60％。AD7656在每通道250kS／s采樣速率下的精度（±4LSB最大值積分線性誤差）是同類產品的2倍。基于iCOMS技術制造的ADC可以滿足工業領域對高分辨率、多通道、高轉換速率和低功耗的要求。
2 AD7656的特性及引腳功能
2.1 AD7656的特性
圖1示出AD7656的功能框圖。AD7656的主要特性如下：
●6通道16-bit逐次逼近型ADC；
●最大吞吐率為250kS／s；
●AVcc范圍為4.75V-5.25V；
●低功耗：在供電電壓為5V、采樣速率為250kS／s時的功耗為160mW；
●寬帶寬輸入：輸入頻率為50kHz時的信噪比（SNR）為85dB；
●片上有2.5V基準電壓源和基準緩沖器；
●有并行和串行接口；
●與SPI／QSPI／μWire／DSP兼容的高速串行接口；
●可通過引腳或軟件方式設定輸入電壓范圍（±10V，±5V）；
●采用iCMOS工藝技術；
●64引腳QFP。
2.2 AD7656的引腳功能
REFCAPA、REFCAPB、REFCAPC是參考電壓引腳，這幾個引腳應該接去耦電容器來減小每1個ADC通道參考緩沖器的衰減。
V1一V6是模擬輸入1-6引腳，它們是模擬前端輸入，對應通道的輸入范圍取決于RANGE引腳的定義。
AGND是模擬地，所有的模擬輸入信號和外部參考信號都要用AGND。
DVcc是5V數字電源端。
VDRIVE是邏輯電源輸入，該引腳的電壓取決于內部參考電壓，應接10μF或100μF的去耦電容器。
DGND是數字地，它是數字電路的參考點。
AVcc是模擬電壓輸入（4.5V-5.5V），它只給ADC的內核供電。
CONVSTA／B／C是轉換使能邏輯輸入，每對有其相關的CONVST信號，用來啟動每對或每4個或6個ADC同步采樣。
CS是片選信號，邏輯低電平時使能。
RD是讀信號，邏輯低電平時使能。
WR/PEFEN/DIS是寫數據/參考使能/非使能。
BUSY是忙信號輸出，當轉換開始時為高電平，并且在轉換結束前一直為高電平。
SER/PAR是串行/并行選擇輸入信號。低電平時選擇并行接口模式，高電平時選擇串行接口模式。
DB［0］/SEL A是數據0位／選擇輸出A路。
DB/SEL B是數據1位/選擇輸出B路。
DB/SEL C是數據2位/選擇輸出C路。
DB/DCIN C是數據3位，C路為菊花鏈式。
DBDCIN B是數據4位/B路為菊花鏈式。
DB/DCIN A是數據5位/A路為菊花鏈式。
DB/SCLK是數據6位/串行時鐘。
DB/HBEN/DCEN是數據7位/高位使能/菊花鏈式使能。
DBDOUTA是數據8位/串行數據輸出A。
DB/DOUTB是數據9位/串行數據輸出B。
DB［10］/DOUTC是數據10位/串行數據輸出C。
DB［11］/DGND是數據11位/數字地。
DB［12］、DB［13］、DB［15］是數據12位、數據13位、數據15位。
DB ［14］/REFBUFEN/DIS是數據14位/參考緩沖使能（低電平時）/非使能（高電平時）。
RESET是復位信號輸入。
RANGE是模擬輸入范圍選擇輸入信號。
VDO是正電源端。
Vss是負電源端。
H/S SEL是硬件/軟件選擇輸入引腳。
W/B是字或字節模式選擇。
3 AD7656的工作原理及系統構成
3.1AD7656的工作原理
AD7656是逐次逼近型轉換器，包括1個比較器、1個模／數轉換器、1個逐次逼近寄存器（SAR）和1個邏輯控制單元。轉換中的逐次逼近是按對分原理由控制邏輯電路完成。其大致過程如下：啟動轉換后，控制邏輯電路首先把逐次逼近寄存器的最高位置1，其他置0，逐次逼近寄存器的這個內容經過模/數轉換后得到約為滿量程輸出一半的電壓值。這個電壓值在比較器中與輸入信號進行比較。比較器的輸出反饋到模／數轉換器，并在下一次比較前對其進行修正。在邏輯控制電路的時鐘驅動下，逐次逼近寄存器不斷進行比較和移位操作，直到完成最低有效位（LSB）的轉換。這時逐次逼近寄存器的各位值均已確定，逐次逼近轉換完成。
由于逐次逼近型模/數轉換器在1個時鐘周期內只能完成1位轉換，N位轉換需要N個時鐘周期，故這種模/數轉換器的采樣速率不高，輸入帶寬也較小。它的優點是原理簡單，便于實現，不存在延遲問題．適用于中速率和分辨率較高的應用場合。
AD7656包含1個低噪聲、寬帶跟蹤保持放大器來處理輸入頻率高達8MHz的信號，還具有高速并行和串行接口，從而允許該器件與微處理器（MPU）或數字信號處理器（DSP）連接。在串行接口方式下，AD7656能提供菊花鏈功能，把多個ADC連接到1個串行接口上。它可以接收雙極性輸入信號，RANGE引腳和RNG位為下次在±4xVREF-±2xVREF之間轉換選擇輸入范圍。當3個CONVST引腳連接到一起時，允許6個片上ADC同時采樣，6個ADC可以被分成3對，每對有1個相關的CONVST信號，用來啟動每對或每4個或是全部6個ADC同步采樣，CONVSTA用來啟動V1和V2的同步采樣，CONVSTB對應的是V3和V4，CONVSTC對應的是V5和V6。
跟蹤保持放大器可以保證模／數轉換器精確地轉換滿量程輸入的正弦波信號，可以保證分辨率為16bit。跟蹤保持放大器的輸入帶寬比工作在最大吞吐率情況下的ADC的奈奎斯特速率還要大。AD7656可以處理頻率為8MHz的輸入信號。跟蹤保持放大器在CONVSTx的上升沿同步采樣各自的輸入信號。跟蹤保持的典型時間為20ns，這可以使6個ADC同步采樣。
AD7656有2種工作模式：串行接口模式和高速的并行接口模式。本文主要介紹并行接口模式。并行接口模式以1個字的形式來操作（W／B=0），也可采用字節的形式（W/B=1）。從并行總線上讀數據時，信號SER／PAR應被置低電平。當CS和RD均為低電平時，數據線DBO-DB15將不再是高阻狀態。CS信號可以被永久地置低電平，RD用來訪問轉換的結果。BUSY信號為低電平時開始讀操作。
AD7656有1個用來執行轉換的片上振蕩器，轉換時間tCONVER為3μS。轉換的開始是通過脈沖調制CONVSTx信號開始的，在CONVSTx的上升沿，被選中的ADC的跟蹤保持電路會被置為保持模式，轉換開始。在CONVSTx信號的上升沿后，BUSY信號會變化，這表示轉換正在進行。轉換時鐘是由內部產生的，轉換時間是從CONVSTx信號上升沿開始的3μS，BUSY信號會變為低電平，表示轉換結束。在BUSY信號的下降沿，跟蹤保持電路將回到跟蹤模式。數據通過并行或串行接口從輸出寄存器中被讀出。圖2示出AD7656并行接口字模式下的讀操作數據流。
如果只有8bit總線被使用，那么AD7656的接口將以字節模式（W／B=I）操作，這種操作下的轉換結果將通過2次讀操作來訪問，每次讀操作通過DB15-DB8來訪問1個8bit的數據，如圖3所示。其中，tCONV為轉換時間3μS，內部時鐘tQUIET為總線的廢棄時間到下1個轉換開始之間所必需的最小等待時間，最小值為400ns；t1為讀操作時的最小時間20ns；t2為BUSY信號到RD信號之間的延遲時間（ns）；t3為CS到RD之間的建立時間（ns）；t4為CS到RD之間的保持時間（ns）；t5為RD的脈沖寬度，最小值為30ns；t6為RD下降沿后的數據訪問時間，最大值為30ns；t7為RD上升沿之后的總線廢棄時間，最小值為15ns，最大值為25ns。
3.2系統組成
圖4所示是AD7656在并行接口狀態下的外圍電路連接。其中的DVcc和AVcc分別是數字電壓端和模擬電壓端，它們在接入前要經過1個去耦電路，如圖4所示，每個供電電壓輸入引腳都要連接1個去耦電路，該電路由1只10μF和1只100nF的電容器組成。VDD、Vss和VDRIVE同樣要連接去耦電路。
AD7656的輸出接到FPGA中進行數字信號的濾波處理，然后再送入數字信號處理器（DSP）進行處理。用FPGA控制引腳CONVSTA／B／C、RD和CS的狀態，可以用編程的方法或硬件連接的方式來實現。系統中的FPGA是ALTERA公司的EP1K30，DSP選用ADI公司的TS101S。此系統的外圍電路比較簡單，比較容易實現，具有真正的高速、高性能數字信號采集功能。
3.3應用程序舉例
（1）A／D數據采集部分的初始化部分程序
4 注意事項
在繪制PCB版圖時，要注意將AD7656的模擬和數字部分分開布局，并把它們放在板上的特定區域，這樣可以使地層比較容易分開，使用起來比較方便。數字地層和模擬地層應該在板上的某一處連接到一起，可以用0Ω電阻器，也可以使用磁珠或直接用焊錫連接。建議在布線的時候不要將數據線布在該器件的下方，因為這樣做會使信號和噪聲混在一起。電源線應該盡量粗一些，這樣可以盡量減小電源線的脈沖干擾。去耦電容器應盡量地靠近器件，之間的連線要盡量短以減小感抗。電路的性能除了受核心ADC的影響外，還受到各種外圍輔助電路性能的影響。
5 結束語
本文介紹了采用先進的工業CMOS（iCMOS）工藝制造的AD7656型模，數轉換器，并將它應用在數字采集系統中。多通道模/數轉換器同步采樣技術提高了數字信號處理的速度和精度。AD7656的外圍電路配置簡單，應用領域也會越來越廣泛。
責任編輯：gt
工商網監
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