高精度類比轉數位神兵:AD977

今天要介紹的是,在不要求高取樣率的情況下的 ADC(Analog to Digital Converter)神兵,來自 ADI(Analog Devices Inc.)家的「AD977」。AD977 提供了 16 bit 的解析度、最高 200 kSPS 的取樣率(AD977A)、單獨 5 V 供電、並提供利用外部電阻改變取樣範圍,最高可到達 ±10 V,以及外部電阻校正的功能。

SOIC 封裝的 AD977
SOIC 封裝的 AD977

類似的同規品有 Linear Tech 的「LTC1609」、TI 的「ADS7809」或環規較高的 Maxwell 的「7809LP」(這顆不確定是不是停產了)。

以下以 AD977 為範本。相關規格皆以 B 規為主。文中部分圖文取自產品規格書(2014 年八月)。

解析度、取樣率

解析度(Resolution)以及取樣率(Sampling/Throughput rate)往往是相互消長的關係,高解析度意味低取樣率,反之亦然。以現在的技術,配置 24 bit 解析度、取樣率動輒破百 kSPS 的 ADC 已經很常見,但是能像 AD977 一樣包含這麼多客制選項的 ADC 非常少。

AD977 的解析度為 16 bit,配合上各種不同的取樣範圍:從 ±10V、±5V、±3.33V、0 到 10V、0 到 5V 與 0 到 4V;等效的類比取樣率從 305 uV 到最低 61 uV,讓使用者有非常大的配置彈性。

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AD977 系統功能圖

它的 100 kSPS 取樣率(或 AD977A 的 200kSPS)在多數低頻應用上非常足夠。其頻寬(Bandwidth)或訊噪比(SNR),0 到 100 kSPS 全頻段都是可用、低失真的。

誤差與校正

ADC 最重要的兩個數值:「積分線性誤差 INL」(Integral Linearity Error 或 Integral nonlinearity)以及「差分線性誤差 DNL」(Differential Linearity Error 或 Differential nonlinearity),以今日的科技來說,都保證非常小。

AD977 標榜的 INL 在 3 個 LSB 以內;DNL 如果以 B 規或 C 規來說,則是全 16 bit 的解析度都 No Missing Code。上述代表類比電壓的取樣與理論相比,其誤差在萬分之一,而且所有的數位碼都能對應到理論的電壓值。(當然我們都知道 ADC 的效能數據都是看看就好,大家都一樣會唬。)

外部校正選項(以 ±10 V 輸入電壓為例)
外部校正選項(以 ±10 V 輸入電壓為例)

AD977 並沒有內建自動校正功能,而是提供了以外部電阻來改變輸入增益(Gain)以及偏差(Offset)的選項。就大量生產,或是對於求快求方便的使用者來說,AD977 的規格不校正直接使用也是可以的。

數位介面

非常可惜的,AD977 的介面並非純的 SPI(Pure SPI),要控制的話至少要 3 線 SPI + 1 DIO。純 3 線 SPI 大概是無法完成(不敢說得太死,至少本人用 3 線沒成功過)。4 線 SPI 中的 MOSI 設定提前輸出 1 bit 取代 R/C* 是可行的。但是如果要得到較穩定的取樣,而需監看 BUSY* 或是有 SYNC 需求時,就非用到額外的 DIO 不可了。

初次在控制時,可以使用 Pulse trigger 的方式周期性的去設定 R/C,以內部 Clock 輸出 Data(針腳 EXT/INT 要設計成 Logic low)。如下:

內部 Clock 輸出 Data

若無法克服,或是喜歡純的 SPI 的控制狂,則可以使用下面的波形,外加一顆 pulse trigger IC,在 CS 負緣(Falling edge)觸發 R/C* 訊號。

若取樣率設定在 10 kSPS 上下,以 SN74LS123 做負緣觸發並取 Q* 輸出 pulse 為 R/C* 訊號時,pulse 的寬度以阻容為 1nF、33.2 kΩ 約是 12 us。此時 clock 速度在 400 kHz 以上即可正確的用「純的」 3 線 SPI 來取樣。波形如下:

外部觸發 R/C* 來取樣

電源需要

需要一個 5 V 的電源即可。

功耗與 Power-down 休眠選項

AD977 提供 PWRD 針腳做為以外部 DIO 來控制 IC 休眠的選項。休眠功耗(Power Dissipation)為 50 uW。它的平時功耗最高可到 0.1 W,表現較不起眼。

TAG 串聯選項

串聯兩顆 AD977
串聯兩顆 AD977

AD977 提供 TAG pin 串聯兩顆 AD977 達到同步取樣或提高取樣速度的功能。使用方法與限制詳見規格書。

類比地、數位地

AD977 在 I/O 針腳的規畫上是有切割出類比地與數位地(Analog and digital ground)的,並允許 ± 7 V 的兩地容差。然在主流設計上,仍建議在遵循 EMC/I 規範的 PCB 佈線下,將類比與數位共地。若有需求,IC 的數位端再加上光偶合器抗噪並實作出真正的兩地隔離。

2.5 V 參考電壓

AD977 提供一 REF 針腳為 2.5 V 準位的參考電壓,在單供電(Single supply)的系統,可做為 split supply 的地準位。

封裝

除了常見的 DIP 插板式封裝,也有 1.27 mm pitch 的 SOIC 封裝(提供 20 pin 或 28 pin)。可惜現在已經不提供環規較高的 CDIP 陶瓷封裝了(淚)。

結語

總合來說,AD977 提供非常大的使用彈性,最高 ±10 V、16 bit、100 kSPS、單一 5 V 供電,應用在多數低頻類比電路都很合適。唯價格偏高,大量佈署需評估。

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