16位ADC

16位Σ-Δ模数转换器AD7701
【摘要】近年来，随着超大规模集成电路制造水平的提高，Σ-Δ型模数转换器正以其分辨率高、线性度好、成本低等特点得到越来越广泛的应用。

目前，Σ-Δ型模数转换器主要用于高分频率的中、低（直至直流）测量和数字音频电路，用于低频测量的典型芯片有16位分辨率的AD7701等。

【关键词】Σ-Δ型模数转换器、16位分辨率、AD7701
AD7701是一款使用Σ-Δ转换技术的16位模数转换器（ADC）。

其核心部分是由二阶Σ-Δ调制器和6阶高斯低通数字滤波器构成的16位ADC，另外有校准控制器、校准SRAM、时钟发生器和串行接口电路。

其通过一个模拟调制器对模拟输入进行连续采样，模拟调制器的平均输出占空比与输入信号成比例关系。

调制器输出由含六极点高斯响应的片内数字滤波器进行处理，该滤波器使用16位二进制字以最高4 kHz的字速率更新输出数据寄存器。

采样速率、滤波器转折频率和输出字速率由主时钟输入设置，主时钟输入可由外部提供，或由晶体控制片内时钟振荡器提供。

图1是AD7701的内部功能框图。

图1 AD7701功能框图
AD7701是典型的Σ-Δ型的数模转换器，Σ-Δ型ADC与传统的LPCM型ADC 不同，它不是直接根据信号的幅度进行量化编码，而是根据前一采样值与后一采样值之差（即所谓增量）进行量化编码，从某种意义上来说它是根据信号的包络形状进行量化编码的。

与传统的LPCM型ADC相比，Σ-Δ型ADC实际上是一种以高采样速率来换取高位量化，即以速率换分辨率的方案。

在转换器工作时，Σ-Δ调制器连续不断地对模拟输入信号采样，将模拟输入电压转换为数字脉冲序
列，这个脉冲序列的占空比与模拟输入信号的幅度有关。

数字滤波器对Σ-Δ调制器的输出信号进行滤波，滤波器输出作为转换结果并以固定的速率（与主时钟频率有关）刷新输出寄存器。

由于Σ-Δ转换器连续不断地转换，以固定的速率刷新输出寄存器，因此不需要转换启动命令。

数字滤波器是对模拟到数字转换后的信号进行处理，它可以有效地消除转换过程产生的量化噪声，但是数字滤波器不能消除与模拟输入信号混合在一起的噪声成分。

大多数Σ-Δ转换器的数字滤波器对采样频率的整倍数频率的±10Hz频带的噪声没有抑制能力。

但是由于AD7701的采样倍率很高（达800倍），因此，这些频带的噪声只占全部噪声的很小一部分，数字滤波器滤除了大部分的噪声成分（滤掉96.5%的宽带噪声）。

值得注意的是，虽然AD7701的采样频率为16kHz，数据输出速率达4kHz，但数字滤波器的转折频率仅为10kHz。

在AD7701响应一个阶跃输入时，达到±0.0007%FSR（±0.5LSB）的稳定时间为507904个时钟周期（当主时钟频率为4.096MHz时，约为125ms）。

因此，在模拟输入端接有多路开关时，通道切换后要等待足够的稳定时间，才能读取转换结果。

这就是说，在多路切换方式下，对输入信号的有效采样速率就大大降低了。

Σ-Δ转换器工作时一般分为两步进行，第一步完成对模拟输入信号的采样，第二步进行数据计算。

为了减小数字噪声对模拟性能的影响，AD7701在内时钟同步方式下，只在数据计算阶段进行数据传送。

但对于其他串行输出方式，由于数据传送由外部电路控制，不能保证数据传送在数据计算阶段，为了降低数据传送引起的数据噪声对模拟性能的影响，建议Σ-Δ转换器的外围电路采用低功耗CMOS逻辑电路，并且要尽可能降低串行数据输出端的负载。

AD7701具有两种校准方式，即自校准和系统校准，通过校准可以有效地消除失调误差和增益误差。

它具有片内自动校准电路，端点精度由零点和满量程的自动校准来保证，零点对应于AGND，满量程对应于Vref，自动校准可以随时启动，但只能消除内部误差。

自动校准方案也可以被扩展用来校准系统零点偏置和输入通道中的增益误差。

系统校准有三种校准类型，即系统零点校准、系统满量程校准和单步系统校准。

系统校准不仅能消除AD7701的内部误差，而且消除了模拟开关与AD7701之间运算放大器和其他信号调理电路的误差以及由于参考电压不准确而引起的增益误差。

AD7701输出数据可通过一个灵活串行端口来访问，该端口具有一种兼容UART的异步模式以及两种同步模式，后者适合与移位寄存器或工业标准微控制器的串行端口进行接口。

在异步模式下，AD7701可以直接与通用异步接收/发射器（UARTs）相连接，适用于AD7701与微控制器之间的距离比较远的应用场合。

同步模式时，可将串行转换结果经移位寄存器转换为并行输出，也可与68HC11，
68HC05单片机接口；外时钟同步时，可以直接与单片机接口。

还有值得一提的是它的电源和待机方式，AD7701具有独立的数字电源引脚和模拟电源引脚。

当采用独立的模拟电源、数字电源供电时，AD7701对两组电源的上电顺序具有严格的要求，要保证模拟电源比数字电源先接通，并且数字正电源的电压不得高于模拟正电源的电压0.3V。

模拟输入电压范围为0～+2.5V或±2.5V。

此外，该ADC固有的线性度非常出色，AD7701尾标分为A,B,S,T四档，A,S 档的线性度为0.003%，B,T档为0.0015%。

它的CMOS结构可确保低功耗，正常状态40mW，省电模式可将空闲时的功耗降至仅10 µW。

在应用方面，AD7701模数转换器, 用于低频、小信号的测量,具有相当高的分辨率和精度。

与积分式ADC比较, 有较高的数据输出速率。

但值得注意的是, 在模拟信号输入端采用多路切换方式时,切换通道后要等待足够建立时间, 再读取转换数据。

例如图2是AD7701与8098单片机的接口电路。

8098的串行口采用方式0(移位寄存器方式), TXD产生时钟脉冲, 经过反相作为AD7701的外时钟。

AD7701工作在外时钟同步方式。

RXD与AD7701的SDATA相连, 用于传送数据。

8098的P2.5编程为输出方式作为AD7701的片选, P0.4用于读取AD7701转换结束状态, HSO0用于启动AD7701的校准功能。

AD7701的基准电压为2.5V,模拟输入电压UIN 从AIN 端输入。

BP/UP是双极性或单极性选择端, 本电路接成单极性方式。

图2 AD7701与单片机8090单片机的接口电路
AD7701数模转换器广泛应用于工业过程控制、便携式仪器和遥控检测等领域。