AD7880：高性能12位A/D转换器的全面解析

在电子设计领域，A/D转换器是实现模拟信号到数字信号转换的关键组件。AD7880作为一款高性能的12位A/D转换器，凭借其出色的特性和广泛的应用场景，受到了众多电子工程师的青睐。本文将对AD7880进行详细解析，帮助工程师们更好地了解和应用这款器件。

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一、AD7880简介

AD7880是一款高速、低功耗的12位A/D转换器，采用单一+5V电源供电。它集成了3µs的跟踪/保持放大器、12µs的逐次逼近型ADC、多功能接口逻辑和多输入范围电路，还具备电源节省功能。该器件采用Analog Devices的Linear Compatible CMOS (LC2MOS)工艺制造，有24引脚的塑料或密封双列直插式封装（DIP）以及小型24引脚SOIC封装可供选择。

二、产品特性亮点

2.1 快速转换时间

AD7880的转换时间为12µs，采集时间为3µs，这使得它能够处理大输入信号带宽。这种性能非常适合电信、音频、声纳和雷达信号处理等领域的应用。例如，在雷达信号处理中，快速的转换时间可以确保及时准确地采集和处理雷达回波信号。

2.2 低功耗

在掉电模式下，AD7880的功耗仅为2mW，这使其非常适合便携式、手持和电池供电的应用。对于一些需要长时间运行且对功耗要求严格的设备，如便携式医疗设备、手持数据采集器等，AD7880的低功耗特性可以显著延长设备的电池续航时间。

2.3 多输入范围

该器件具有三个用户可确定的输入范围，分别为0V至+5V、0V至10V和±5V。这些单极性和双极性范围可以通过单一5V电源实现，为不同的应用场景提供了更多的选择。例如，在一些需要处理不同电压范围信号的工业控制和测量系统中，AD7880的多输入范围特性可以满足多样化的需求。

三、技术参数详解

3.1 动态性能

• 信噪比（SNR）：最小为70dB，典型值为72dB。SNR是衡量ADC输出信号质量的重要指标，较高的SNR意味着信号中的噪声成分较少，能够更准确地还原原始信号。
• 总谐波失真（THD）：典型值为 -80dB。THD反映了ADC输出信号中谐波成分的比例，较低的THD表示输出信号更接近原始信号，失真较小。
• 互调失真（IMD）：包括二阶和三阶项，典型值均为 -80dB。IMD用于衡量ADC在处理多个输入信号时产生的互调产物的大小，较低的IMD可以保证信号的质量和准确性。

3.2 直流精度

• 分辨率：12位，这意味着AD7880可以将模拟信号转换为4096个不同的数字值，能够提供较高的测量精度。
• 积分非线性（INL）：最大为±1 LSB，反映了ADC实际转换特性与理想转换特性之间的偏差。
• 微分非线性（DNL）：最大为±1 LSB，用于衡量相邻两个数字输出之间的差异。
• 满量程误差：不同版本的器件有不同的满量程误差，如AD7880BN的满量程误差为±15 LSB，AD7880CN的满量程误差为±5 LSB。
• 双极性零误差：同样，不同版本的器件双极性零误差也有所不同，如AD7880BN的双极性零误差为±10 LSB，AD7880CN的双极性零误差为±5 LSB。

3.3 模拟输入

• 输入电压范围：支持0至VREF、0至2VREF和±VREF三种范围，通过不同的输入连接方式可以实现不同的输入范围配置。
• 输入电阻：不同输入范围下的输入电阻有所不同，例如在0至VREF范围下，输入电阻为10MΩ min。

3.4 参考输入

• 参考电压（VREF）：通常建议将参考输入连接到VDD，参考电压为5V，典型值为8kΩ，允许的偏差为±5%。
• 参考电流（IREF）：最大为1.5mA。

3.5 逻辑输入和输出

• 逻辑输入：包括CONVST、RD、CS、CLKIN和MODE等输入引脚，每个引脚都有特定的功能和电气参数要求。例如，CONVST引脚用于启动转换，其输入高电压VINH为2.4V min，输入低电压VINL为0.8V max。
• 逻辑输出：DB11 - DB0为三态数据输出引脚，BUSY为状态输出引脚。输出高电压VOH为4.0V min，输出低电压VOL为0.4V max。

3.6 转换时间和吞吐量

• 转换时间：最大为12µs，跟踪/保持采集时间为3µs。
• 吞吐量时间：等于转换时间加上跟踪/保持采集时间，对于2.5MHz的输入时钟，吞吐量时间为15µs。

四、工作原理与电路设计

4.1 转换周期

AD7880的转换周期由CONVST脉冲的上升沿触发。当CONVST脉冲上升时，跟踪/保持放大器进入“保持”模式，转换周期开始。转换周期通常需要26至28个时钟周期，最大指定转换时间为12µs。在转换过程中，BUSY输出保持低电平，输出数据总线驱动器处于三态。转换完成后，BUSY输出变为高电平，此时可以通过将CS和RD引脚置低来读取转换结果。

4.2 跟踪/保持放大器

AD7880采用电荷平衡比较器，为用户提供了固有的跟踪/保持功能。跟踪/保持放大器能够在小于3µs的时间内以12位精度采集输入信号，确保了信号的准确采集和转换。

4.3 参考输入和模拟输入

• 参考输入：为了获得指定的性能，建议将参考输入连接到VDD。虽然器件可以在低至2.5V的参考电压下工作，但性能会有所下降。
• 模拟输入：AD7880有两个模拟输入引脚VINA和VINB，通过板上的衰减网络可以实现不同的输入范围。用户可以根据实际需求选择合适的输入范围和连接方式。

4.4 时钟输入

AD7880指定使用2.5MHz的时钟连接到CLKIN输入引脚。该引脚可以直接由CMOS或TTL缓冲器驱动，时钟的占空比可以在40/60至60/40之间变化。需要注意的是，时钟频率的降低可能会导致精度性能略有下降，这是由于内部跟踪/保持放大器中保持电容的泄漏效应引起的。

五、误差调整

在一些应用中，需要对AD7880的偏移和满量程误差进行调整，以确保输入信号范围与ADC的最大动态范围匹配。以下是具体的调整方法：

5.1 单极性调整

• 偏移误差调整：对于0V至5V的单极性输入配置，首先将0.61mV（1/2 LSB）的输入电压施加到V1，然后调整运算放大器的偏移电压，直到ADC输出代码在0000 0000 0000和0000 0000 0001之间闪烁。
• 满量程误差调整：将4.9982V（FS - 3/2 LSBs）的输入电压施加到V1，然后调整R2，直到输出代码在1111 1111 1110和1111 1111 1111之间闪烁。

5.2 双极性调整

• 双极性零误差调整：在双极性输入配置中，当输入电压比地低1/2 LSB（-1.22mV）时，调整运算放大器的偏移电压，直到ADC输出代码在0111 1111 1111和1000 0000 0000之间闪烁。
• 满量程误差调整：将4.9982V（FS/2 - 3/2 LSBs）的输入电压施加到V1，然后调整R2，直到输出代码在1111 1111 1110和1111 1111 1111之间闪烁。

六、动态性能指标

6.1 信噪比（SNR）

SNR是衡量ADC输出信号质量的重要指标，它表示信号的均方根值与噪声的均方根值之比。对于AD7880，理论上12位转换器的SNR为74dB。实际测量时，通过对ADC输出频谱进行快速傅里叶变换（FFT）分析，可以得到SNR数据。

6.2 有效位数

有效位数（ENOB）是根据SNR计算得到的一个指标，它反映了ADC实际能够有效转换的位数。通过公式(N = frac{SNR - 1.76}{6.02})可以计算出AD7880的有效位数。在采样频率为61kHz的情况下，对于频率高达12kHz的输入信号，有效位数通常保持在11.5以上。

6.3 总谐波失真（THD）

THD是指谐波的均方根值与基波的均方根值之比。对于AD7880，THD的计算公式为(THD = 20 log frac{sqrt{V{2}^{2} + V{3}^{2} + V{4}^{2} + V{5}^{2} + V{6}^{2}}}{V{1}})，其中(V{1})是基波的均方根振幅，(V{2}) - (V_{6})是二次至六次谐波的均方根振幅。THD也可以从ADC输出频谱的FFT图中得到。

6.4 互调失真（IMD）

当输入包含两个不同频率的正弦波时，由于器件的非线性特性，会产生互调产物。IMD是指互调产物的均方根值与基波的均方根值之比，通常以dB为单位表示。在计算IMD时，需要考虑二阶和三阶互调项，因为它们在频率上与原始正弦波的关系不同。

6.5 峰值谐波或杂散噪声

峰值谐波或杂散噪声是指ADC输出频谱中除直流分量外，下一个最大分量的均方根值与基波的均方根值之比。通常情况下，这个指标由频谱中的最大谐波决定，但当谐波被噪声淹没时，峰值将是一个噪声峰值。

七、微处理器接口

AD7880的高速总线时序允许它直接与实时数字信号处理器（DSP）以及现代高速16位微处理器进行接口。以下是几种常见的接口方式：

7.1 AD7880 - ADSP - 2100接口

通过定时器异步驱动CONVST输入来启动转换，转换完成后，AD7880的BUSY线变为高电平，通过反相器驱动IRQ线低电平，向ADSP - 2100提供中断信号。转换结果可以通过指令(MR0 = DM(ADC))从AD7880读取到ADSP - 2100中。

7.2 AD7880 - TMS32010接口

同样使用外部定时器启动转换，转换完成后中断TMS32010。使用指令(IN D, ADC)从AD7880读取转换结果。

7.3 AD7880 - TMS320C25接口

使用定时器启动转换，转换完成后中断处理器。由于TMS320C25没有单独的RD输出，需要通过处理器的STRB和R/W输出以及一些逻辑门来生成RD信号。转换结果通过指令(IN D, ADC)读取。

7.4 AD7880 - MC68000接口

使用外部定时器启动转换，AD7880的BUSY线可以用于中断处理器，也可以通过软件延迟确保转换完成后再进行读取操作。使用指令(MOVE.W ADC, D0)读取转换结果。

7.5 AD7880 - 8086接口

由微处理器启动转换，通过对8086的WR信号和译码地址输出进行门控来实现。使用指令(MOV AX, ADC)读取转换结果。

7.6 AD7880 - 6809接口

使用外部定时器启动转换，转换完成后，BUSY触发单稳态触发器，驱动6809的IRQ中断输入。通过两次读取操作分别获取AD7880的低8位和高4位数据。

八、应用提示

8.1 PCB布局

良好的印刷电路板（PCB）布局对于实现高速A/D性能至关重要。在布局时，应尽量将数字和模拟信号线分开，避免数字走线与模拟信号线并行。使用AGND对模拟输入进行屏蔽，建立单点模拟接地（星形接地），并将所有其他接地和AD7880的DGND连接到该单点模拟接地。同时，应尽量增大模拟和数字电源供应公共返回线的箔宽，使用接地平面可以降低阻抗路径并保护模拟电路免受数字噪声的影响。

8.2 噪声处理

为了减少输入噪声耦合，应尽量缩短输入信号引线和信号返回引线的长度。在无法缩短引线长度的情况下，可以使用屏蔽电缆连接信号源和ADC。此外，应尽量降低接地电路的阻抗，因为信号源和ADC之间的接地电位差会作为误差电压串联在输入信号中。

8.3 模拟输入缓冲

为了获得指定的性能，建议使用低阻抗源驱动AD7880的模拟输入（VINA, VINB），这需要使用输入缓冲放大器。根据具体应用和所需的模拟输入范围，可以选择不同的运算放大器配置。例如，对于0V至5V的输入范围，可以使用单电源5V运算放大器；对于0V至10V的输入范围，需要连接外部电源到V+；在双极性操作中，需要将正负极电源分别连接到V+和V -。

8.4 电源控制

AD7880具有电源节省功能，可以通过将MODE输入引脚置为逻辑低电平并保持RD输入控制高电平来将器件置于掉电模式。在掉电模式下，器件的功耗约为2mW。在从掉电模式恢复后，建议进行一次“虚拟”转换，以重置所有内部逻辑和控制电路。

九、数据采集布局

9.1 电路组成

AD7880的数据采集电路除了器件本身外，还需要一个抗混叠滤波器。PCB上在模拟输入附近提供了一个组件网格，可以用于安装抗混叠滤波器或其他输入调理电路。通过短接LK1，可以将模拟输入连接到驱动AD7880的缓冲放大器；移除LK1后，需要使用线连接模拟输入到PCB组件网格。

9.2 接口连接

数据采集板上有一个并行连接端口SKT4，这是一个26触点的IDC连接器，提供了与微处理器的直接连接。该连接器包含了AD7880的所有数据、控制和状态信号（除了CONVST和CLKIN输入，它们分别通过SKT2和SKT3提供）。此外，还包含了译码后的R/W和STRB输入，这对于与许多微处理器（如TMS320C25和Motorola 68000系列）进行接口非常必要。

9.3 电源供应

PCB需要一个单一的+5V电源（标记为VDD），良好的去耦可以使该电源驱动AD7880的VDD，同时也驱动VREF输入和运算放大器的电源。在需要双极性±5V或单极性0V至10V输入范围的情况下，可以连接单独的运算放大器电源（±15V、±12V、±5V等）到V+和V -。通过LK2和LK3短接链接可以选择用户定义的运算放大器电源或板载单一+5V电源。

9.4 链接选项

在使用数据采集板之前，需要设置七个链接选项：

• LK1：连接模拟输入到缓冲放大器，也可以将模拟输入连接到组件网格进行信号调理。
• LK2, LK3：允许使用各种运算放大器电源来驱动AD7880的输入缓冲器，可以选择连接外部电源到V+和V -，也可以选择AD7880的+5V系统电源和AGND来驱动单电源运算放大器。
• LK4：配置各种模拟输入范围，分别对应0V至5V、0V至10V或±5V。
• LK5：选择AD7880的VREF参考输入，通常连接到VDD，也可以连接外部参考。
• LK6：选择掉电或睡眠模式，短接插头连接到VDD用于正常操作。
• LK7：将AD7880的RD输入直接连接到SKT4的RD输入或译码后的STRB和R/W输入，具体设置取决于微处理器的要求。

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