德州仪器DDC112：20位双电流输入模数转换器的深入解析

在电子设计领域，高精度、高性能的模数转换器一直是工程师们追求的目标。德州仪器（Texas Instruments）的DDC112双输入、宽动态范围、电荷数字化模数（A/D）转换器，以其20位的高分辨率和出色的性能，在众多应用场景中展现出了强大的优势。本文将深入剖析DDC112的特点、应用、工作原理以及设计中的注意事项，为电子工程师们提供全面的参考。

文件下载：ddc112.pdf

一、产品特性与应用

特性亮点

DDC112具有一系列令人瞩目的特性。它采用了单片电荷测量A/D转换技术，数字滤波降噪能力达到3.2ppm（均方根），积分线性度为±0.005%读数 ±0.5ppm FSR，具备高精度的真正积分功能。同时，其满量程可编程，支持单电源供电，输出还可级联，这些特性使得它在处理微弱信号时表现卓越。

广泛应用

该转换器的应用场景十分广泛，涵盖了直接光电传感器数字化、CT扫描仪数据采集系统、红外高温计、精密过程控制、液相/气相色谱分析以及血液分析等领域。在这些对精度要求极高的应用中，DDC112能够准确地将模拟信号转换为数字信号，为系统提供可靠的数据支持。

二、工作原理剖析

基本架构与转换流程

DDC112包含两个相同的输入通道，每个通道先进行电流 - 电压积分，然后通过多路复用进行模数（A/D）转换。每个输入有两个积分器，可实现连续的电流 - 电压积分。四个积分器的输出通过一个四输入多路复用器切换到一个ΔΣ转换器。在连续积分模式下，一个输入的一侧积分器输出进行数字化时，另一侧的积分器进行积分，这个过程由系统时钟CLK控制。

积分电容与范围选择

积分电容（$C{F}$）的选择对DDC112的性能至关重要。其值决定了正满量程（+FS）值，计算公式为$Q{FS}=(0.96) V{REF} × C{F}$，负满量程（–FS）范围约为正满量程范围的0.4%。芯片内部为每个通道的每一侧提供了七个不同的电容，可通过范围控制引脚（RANGE0 - RANGE2）进行选择。此外，也可使用外部积分电容，只需将[RANGE2 - RANGE0 = 000]即可。

电压参考的关键作用

外部电压参考$V{REF}$用于在积分周期开始前重置积分电容，并在转换器测量积分器存储的电压时发挥作用。在采样过程中，$V{REF}$必须为ΔΣ转换器提供所需的电荷。为确保$V_{REF}$的稳定性，强烈建议使用运算放大器对外部参考源进行缓冲，以减少噪声和偏移。

三、数字接口与数据处理

同步串行接口

DDC112通过同步串行接口提供数字结果，包括数据时钟（DCLK）、发送使能引脚（DXMIT）、有效数据引脚（DVALID）、串行数据输出引脚（DOUT）和串行数据输入引脚（DIN）。由于只有一个A/D转换器，转换过程在两个输入之间交错进行，且积分和转换过程与数据检索过程基本独立，因此CLK频率和DCLK频率可以不同。

数据检索与级联

数据检索在DVALID下降沿时进行，DXMIT下降沿结合DCLK可启动数据的串行传输。多个DDC112单元可以通过DOUT和DIN进行级联，以简化数字输出的互连和布线。在级联时，需注意保持DOUT的电容负载尽可能低，特别是在CLK = 15MHz时。

四、工作模式与时序分析

连续与非连续模式

DDC112有连续和非连续两种工作模式。在连续模式下，传感器输出由每个输入的一侧持续积分；当A/D转换时间超过积分时间时，将切换到非连续模式，此时积分过程会周期性暂停，直到数字化过程赶上。

时序示例与注意事项

通过多个时序图可以清晰地了解DDC112在不同模式下的工作情况。在连续模式下，DVALID在CONV切换后$t_{7}$时间变低，表示数据准备好；在非连续模式下，数据准备时间有所不同。在设计时，需注意CONV与CLK的同步，以及避免在CONV切换时对数据检索产生干扰。

五、设计注意事项与布局建议

特殊考虑因素

在非连续模式下，为避免积分时间与内部慢时钟周期的非整数关系导致的噪声问题，建议选择积分时间为$1 /(2 f{SLOWCLOCK })$的整数倍。同时，数据准备时间在$T{INT } ≤t_{6}$时会有不确定性，可通过轮询DVALID来消除此影响。

布局要点

在PCB布局方面，$AV{DD}$和$DV{DD}$应尽可能安静，需使用适当的电容进行旁路。模拟信号路径应进行屏蔽，避免数字信号对模拟输入信号的干扰。输入引脚周围应设置PC接地平面，以减少耦合噪声和泄漏电流的影响。

六、总结与展望

DDC112作为一款高性能的模数转换器，凭借其高精度、宽动态范围和灵活的工作模式，为电子工程师们提供了强大的工具。在实际设计中，深入理解其工作原理和注意事项，合理进行布局和时序设计，能够充分发挥其性能优势，满足各种复杂应用的需求。随着电子技术的不断发展，相信DDC112在更多领域将展现出更大的潜力。

电子工程师们在使用DDC112进行设计时，不妨多进行实际测试和验证，不断优化设计方案，以实现最佳的系统性能。你在使用类似模数转换器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。