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24位高性能模數轉換器ADS1274及其應用

1 概述

ADS1274/ADS1278是德州儀器(TI)推出的多通道24位工業模數轉換器(ADC),內部集成有多個獨立的高階斬波穩定調制器和FIR數字濾波器,可實現4/8通道同步采樣,支持高速、高精度、低功耗、低速4種工作模式;ADS1274/ADS1278具有優良的AC和DC特性,采樣率最高可以達128 Ks/s,62 kHz帶寬時信噪比(SNR)可達111 dB,失調漂移為0.8μV/℃。

ADS1274/ADS1278可通過設置相應的輸入/輸出引腳選擇工作模式,無需寄存器編程,其數據輸出可選幀同步或SPI串行接口,便于連接至DSP、FPGA及微控制器。每個接口均支持菊花鏈,簡化多通道計數系統中的多個ADS1274或ADS1278的回讀功能(readback)。ADS1274工作溫度范圍為-40℃~+125℃,ADS1278則為-40℃~+105℃,可滿足要求嚴格的多通道信號采集應用,包括振動分析、醫療監控、聲學/動態應變測量及壓力測量設備等。

2 性能特點

傳統的具有較高漂移性能的工業△-∑ADC采用導通帶寬滑落幅度很大的數字濾波器,來得盡可能滿足DC測量需求的有限信號帶寬。針對音頻應用的高分辨率ADC能夠提供更大的可用帶寬,但偏移與漂移規范遠低于工業ADC。ADS1274/ADS1278將兩種類型的轉換器相結合,實現最佳DC與AC規范的高精度工業測量。具體特點如下:

允許4/8通道同步采樣;

采樣率最高可達128 Ks/s;

AC性能:工作在高精度模式下,輸入信號帶寬為62 kHz時,SNR為111 dB,總諧波失真(THD)為-108 dB;

DC性能:0.8μV/℃失調漂移,1.3 ppm/℃增益漂移;

4種可選工作模式:高速模式為128 Ks/s,信噪比106 dB;高精度模式為52 Ks/s,信噪比111 dB;低功耗模式為52 ks/s,31 mW/通道;而低速模式為10 ks/s,7 mW/通道;

片上線性相位數字濾波器;

SPI或幀同步串行接口;

低采樣孔徑誤差;

調制器輸出選擇。

3 引腳功能說明

ADS1274/1278均采用64引腳HTQFP封裝,兩者引腳兼容以便于擴展,引腳功能說明如表1所示。

4 功能描述

4.1 工作原理

ADS1274/ADS1278是△-∑型模數轉換器,其結構框圖如圖1所示,兩者除內部所含模/數轉換器(ADC)數目不同外,功能完全相同。它們主要由4/8個獨立的ADC并行實現4/8通道輸入信號的數字化,每個ADC由先進的6階斬波、△-∑調制器,后接低紋波、線性相位的有限沖積響應(FIR)數字濾波器構成。調制器檢測差分輸入信號VIN=(AINP-AINN),并與差分參考電壓VREF=(VREFP-VREFN)相比較得到一個1秒密度的位流輸出,輸出的位流經內部的數字濾波器濾波后得到一個低噪聲的數字輸出。

工作時調制器以高速采樣輸入信號(典型值輸出數據率的64倍),調制器產生的量化噪聲被移人高頻帶,由其內部的數字濾波器濾除,調制器的過采樣倍率與工作模式有關,分別可取64(高速、低速、低功耗模式)或128(高精度模式),數字濾波器可對截止頻率外的信號衰減達100 dB,使信號導通帶寬在90%的奈奎斯特頻率時,紋波低于0.005 dB。

4.2 工作模式設置

ADS1274/ADS1278允許在速度、精度、功耗方面權衡從4種工作模式中選擇一種,各種工作模式下的性能如表2所示,而模式選擇是由MODE[1:0]引腳的輸入狀態確定。

4.3 數據輸出接口

ADS1274/ADS1278轉換后的數據輸出采用串行接口,可采用兩種接口協議:SPI協議和幀同步協議,同時也可選擇不同的數據輸出格式,協議和數據輸出格式的選擇是由FORFMAT[2:0]引腳的輸入狀態確定。

對應SPI和幀同步接口協議,轉換后的數據或通過獨立的DOUT引腳以并行數據形式(離散模式)移位輸出或通過一個共同的引腳DOUT1(TDM模式)移位輸出。

在TDM數據輸出模式中,多通道輸出數據的位置有兩種選擇,即位置固定和位置動態分配。位置固定時,每個通道輸出數據的位置嚴格按照順序輸出(即使某些通道掉電,也占有一個輸出位置),動態分配時多通道輸出數據的位置可根據通道使用情況隨機調整,后續通道數據可占有前面掉電不用通道數據的位置,圖2和圖3描述了TDM模式時,固定位置和動態位置時的數據輸出形式,表3列出接口協議、輸出格式和數據位置關系。

5 應用接口電路

5.1 基本差分輸入信號接口電路

基本差分輸入信號接口電路如圖4所示,采用運算放大器OPA1632和RC構成的低通濾波器對輸入信號進行調理,其中VCOM端可直接連接至ADC的VCOM引腳,也可通過OPA350緩沖輸出,12 V電源可采用10μF和0.1μF的電容旁路,對于電容(2),當工作在低功耗模式時可選用2.7 nF的電容,在低速模式時則選用15 nF的電容。

5.2 ADS1724與TMS320的接口電路

圖5給出了ASD1274與TMS320VC5509的接口電路,ADS1274與TMS320VC5509之間采用幀同步串行接口,CLKDIV接3.3 V,采樣主時鐘頻率為27 MHz,四路模擬輸入信號可采用圖4所示的連接接入AINP和AINN。

6 結束語

ADS1274/1278是基于△-∑技術的24位高性能工業模數轉換器,內部集成有多個獨立的高階斬波穩定調制器和FIR數字濾波器,具有優良的AC和DC性能,可實現4/8通道同步采樣,支持高速、高精度、低功耗、低速4種工作模式;數據輸出可選幀同步或SPI串行接口,每個接口均支持菊花鏈連接,可應用于要求嚴格的多通道信號采集系統,如振動分析、醫療監控、動態應變測量設備等。

關鍵詞: 模數轉換器 引腳 線性相位 輸入狀態 調制器 HTQFP RC

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