深入解析ADC10731/ADC10732/ADC10734/ADC10738 10位带符号串行I/O A/D转换器

在电子设计领域，A/D转换器扮演着至关重要的角色，它是连接模拟世界和数字世界的桥梁。今天，我们将深入探讨德州仪器（TI）的ADC10731、ADC10732、ADC10734和ADC10738这一系列10位带符号串行I/O A/D转换器，了解它们的特性、应用以及设计要点。

文件下载：adc10738.pdf

产品概述

ADC10731、ADC10732和ADC10734已停产或处于生命周期采购阶段，仅作参考。这一系列CMOS 10位带符号逐次逼近型A/D转换器具有多功能模拟输入多路复用器、采样/保持功能和2.5V带隙基准。1、2、4或8通道多路复用器可通过软件配置为单端或差分工作模式。

特性亮点

输入范围与接口

• 宽输入范围：模拟输入范围为0V至模拟电源电压，且能承受一定的过压和欠压，在-50mV至$V^{+}+50mV$范围内不影响转换精度。
• 串行I/O接口：支持串行I/O，与MICROWIRE兼容，方便与各种控制器和微处理器接口。

电源管理与性能

• 电源模式：具备软件或硬件掉电功能，在掉电模式下功耗极低，仅18μW，正常工作时最大功耗为37mW。
• 转换速度：转换时间最大为5μs，采样率最大可达74kHz，能满足大多数应用的实时性要求。

精度与稳定性

• 无失码：在整个温度范围内无失码，保证了转换的准确性。
• 基准电压：内置2.5V带隙基准，精度为±2%，为转换提供稳定的参考。

应用领域

该系列转换器适用于多种应用场景，如医疗仪器、便携式和远程仪器仪表以及测试设备等。在这些应用中，其高精度、低功耗和灵活的输入配置能够满足不同的需求。

关键规格参数

规格	详情
分辨率	10位 + 符号
单电源	5V
功耗	最大37mW（正常），18μW（掉电）
转换时间	最大5μs
采样率	最大74kHz
带隙基准	2.5V ±2%

引脚说明

了解引脚功能是正确使用该转换器的关键，以下是主要引脚的说明：

• CLK：时钟输入，控制逐次逼近转换时间间隔、采集时间和串行数据交换速率。
• DI：串行数据输入，用于选择模拟输入多路复用器的通道。
• DO：数据输出，转换结果通过该引脚输出。
• CS：芯片选择，控制转换器的工作状态。
• PD：掉电输入，高电平使转换器掉电，低电平上电。

电气特性

静态特性

• 有符号转换：分辨率为10位 + 符号，总未调整误差（TUE）最大为±2.0 LSB，积分线性误差（INL）最大为+1.25 LSB。
• 无符号转换：分辨率为10位，TUE在特定条件下为+0.75 LSB，INL为+0.50 LSB。

动态特性

• 有符号转换：信号与噪声加失真比（S/(N+D)）在特定输入条件下为67dB，有效位数（ENOB）为10.8位。
• 无符号转换：S/(N+D)为60dB，ENOB为9.8位。

应用提示

数字接口

• 工作模式：有两种工作模式，$overline{CS}$在转换期间保持低电平可获得最快的吞吐量；$overline{CS}$在转换期间置高可延迟输出数据，简化与其他设备的接口。
• 初始化：上电后需要初始化，若$overline{CS}$在供电时为低电平，需将其置高至少1个时钟周期。

电源管理

• 软件和硬件掉电：支持软件或硬件掉电，掉电时的功耗受数字输入电压电平影响，CMOS逻辑电平可实现最低功耗。

架构原理

在转换开始前，模拟输入采样期间对采样数据比较器进行归零操作，将正输入通道连接到A/D的输入电容，充电至正模拟输入电压。转换开始后，比较器反馈开关打开，输入电容切换到负输入电压，通过逐次逼近算法重新分配电容阵列上的电荷，最终得到数字输出。

设计要点

多路复用器配置

• 工作模式：输入通道可通过软件配置为差分、单端或伪差分模式，提供了灵活的输入选择。
• 电压范围：每个通道的模拟输入电压范围为-50mV至$V^{+}+50mV$，超出此范围可能影响转换结果。

参考电压考虑

• 电压跨度：$V{REF}^{+}$和$V{REF}^{-}$输入之间的电压差定义了模拟输入电压跨度，可用于比例应用或需要绝对精度的系统。
• 内部基准：内置2.5V带隙基准可作为输出，但需要用100μF电容旁路以确保最佳性能。

模拟输入处理

• 旁路电容：当源电阻大于1kΩ时，不建议使用输入旁路电容，可采用运放RC有源低通滤波器进行阻抗缓冲和噪声滤波。
• 共模信号：在真正的差分输入级，共模信号不能完全消除，会导致一定的转换误差，可通过公式计算误差大小。

可选调整

• 零误差调整：可通过偏置负输入来调整有效“零”电压，使转换器在最小输入电压时输出全零数字代码。
• 满量程调整：通过施加特定的差分输入电压并调整$V_{REF}$电压来实现满量程调整。

输入采样和保持

• 采样过程：采样/保持电容在电容阵列中实现，在采集时间内对选定的正模拟输入进行采样，采集时间为4.5个时钟周期。
• 信号与噪声比：理想的10位带符号A/D转换器的信号与噪声加失真比约为68dB。

总结

ADC10731/ADC10732/ADC10734/ADC10738系列A/D转换器以其高精度、低功耗和灵活的输入配置，为电子工程师提供了一个优秀的解决方案。在实际应用中，我们需要根据具体需求合理选择工作模式、配置参考电压和处理模拟输入，以充分发挥其性能优势。希望通过本文的介绍，能帮助大家更好地理解和应用这一系列转换器。

你在使用这些转换器的过程中遇到过哪些问题？或者对它们的应用有什么独特的见解？欢迎在评论区分享交流。