MAX180/MAX181：8 通道 12 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)剖析

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個(gè)關(guān)鍵的組成部分。今天，我們就來(lái)深入探討一下 MAX180/MAX181 這兩款完整的 12 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）。

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一、產(chǎn)品概述

MAX180/MAX181 是集 8 / 6 通道輸入多路復(fù)用器、高帶寬跟蹤保持（T/H）電路、低漂移齊納基準(zhǔn)源以及靈活的微處理器（uP）接口于一體的高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具備高轉(zhuǎn)換速度和低功耗的特點(diǎn)。其中，MAX180 有 8 個(gè)模擬輸入通道，而 MAX181 有 6 個(gè)。它們可以通過(guò) uP 配置為單極性或雙極性轉(zhuǎn)換，以及單端或差分輸入。這兩款器件的采樣和數(shù)字化吞吐量速率可達(dá) 100kHz，還擁有快速的 8 位或 16 位 uP 接口。

二、應(yīng)用場(chǎng)景

1. 高速伺服環(huán)路：在高速伺服系統(tǒng)中，需要快速準(zhǔn)確地采集信號(hào)，MAX180/MAX181 的高采樣速率和高精度能夠滿足這一需求。
2. 數(shù)字信號(hào)處理：對(duì)于處理大量數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，其 12 位的分辨率和高轉(zhuǎn)換速度可以提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)輸入。
3. 高精度過(guò)程控制：在工業(yè)過(guò)程控制中，精確的信號(hào)采集是保證控制精度的關(guān)鍵，MAX180/MAX181 能夠提供可靠的數(shù)據(jù)支持。
4. 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)：自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)需要快速、準(zhǔn)確地采集各種信號(hào)，這兩款器件的性能正好符合要求。

三、產(chǎn)品特性

1. 高分辨率與線性度：具備 12 位分辨率，±1/2LSB 線性度，能夠提供精確的測(cè)量結(jié)果。
2. 多路輸入選擇：MAX180 有 8 通道多路復(fù)用輸入，MAX181 有單端 1 選 6 多路復(fù)用器，滿足不同的輸入需求。
3. 內(nèi)置跟蹤保持電路：內(nèi)置的 T/H 電路無(wú)需外部電容，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。
4. 高采樣速率：100kHz 的采樣速率能夠快速采集信號(hào)。
5. 多種輸入范圍配置：每個(gè)通道可配置為單極性（0V 至 +5V）或雙極性（ -2.5V 至 +2.5V）輸入范圍，以及單端或差分輸入。
6. 快速 uP 接口：支持快速的 8 位或 16 位 uP 接口，方便與微處理器連接。
7. 低功耗：功耗僅為 110mW，適合對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用。

四、電氣特性

精度方面

分辨率為 12 位，積分非線性誤差（INL）在不同型號(hào)有所差異，如 MAX18_A 為 ±1/2LSB，MAX18_B/C 為 ±1LSB；差分非線性誤差（DNL）保證在整個(gè)溫度范圍內(nèi)單調(diào)，最大為 +1LSB。此外，還存在雙極性增益誤差、單極性偏移誤差、單極性增益誤差和雙極性偏移誤差等，具體數(shù)值在文檔中有詳細(xì)說(shuō)明。

動(dòng)態(tài)性能方面

信號(hào) - 噪聲 - 失真比（SINAD）在雙極性模式、TA = +25°C、10kHz 輸入信號(hào)、100kHz 采樣速率下可達(dá) 70dB；無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）為 80dB；總諧波失真（THD）為 -80dB。

模擬輸入方面

輸入電壓范圍根據(jù)不同的輸入模式有所不同，如單極性單端范圍為 0V 至 5V，單極性差分范圍為 -2.5V 至 2.5V 等。

電源要求方面

電源電壓 VDD 范圍為 4.75V 至 5.25V，Vss 范圍為 -11.40V 至 -15.75V；電源電流 lDD 在 VDD = 5V 時(shí)典型值為 4.5mA，Iss 在 Vss = -12V 時(shí)典型值為 7.0mA；功耗在 VDD = 5V、VSS = -15V 時(shí)典型值為 110mW。

五、工作原理

A/D 轉(zhuǎn)換操作

MAX180/MAX181 使用逐次逼近和輸入跟蹤保持（T/H）電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為 12 位數(shù)字輸出代碼。控制邏輯易于與 uP 接口，大多數(shù)應(yīng)用只需幾個(gè)無(wú)源組件。T/H 電路無(wú)需外部電容。

啟動(dòng)轉(zhuǎn)換

無(wú)論選擇何種模式或接口，轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后會(huì)按以下順序進(jìn)行：

1. 配置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）的數(shù)據(jù)輸入鎖存，接口向 uP 發(fā)出轉(zhuǎn)換開始的信號(hào)。
2. 多路復(fù)用器將選定的輸入信號(hào)導(dǎo)向 T/H 輸入。
3. 經(jīng)過(guò)固定時(shí)間延遲，讓 T/H 采集信號(hào)。除異步保持模式外，此延遲為 3 個(gè)時(shí)鐘周期；在異步保持模式下，由 uP 控制該延遲。
4. T/H 切換到保持模式，T/H 輸出將輸入信號(hào)的穩(wěn)定單端樣本傳送到 A/D 輸入。
5. 逐次逼近循環(huán)開始，ADC 依次測(cè)試并設(shè)置 12 位中的每一位，從最高有效位到最低有效位。位決策在 CLKIN 下降沿發(fā)生，共需 12 個(gè)時(shí)鐘周期。
6. 輸出數(shù)據(jù)由輸出寄存器鎖存，接口向 uP 發(fā)出轉(zhuǎn)換完成且數(shù)據(jù)可用的信號(hào)。

模擬輸入 - 跟蹤保持

在單端輸入模式下，轉(zhuǎn)換期間（BUSY = High），選定的模擬輸入連接到保持電容（跟蹤模式）；轉(zhuǎn)換開始時(shí)，CHOLD 與 +T/H 輸入斷開，對(duì)輸入進(jìn)行采樣。在差分輸入模式下，A0 - A2 選擇輸入通道對(duì)，只有輸入通道的信號(hào)側(cè)由 T/H 保持，返回側(cè)在轉(zhuǎn)換期間必須保持穩(wěn)定在 ±0.5LSB（最佳結(jié)果為 ±0.1LSB）。

參考

MAX180/MAX181 可以使用內(nèi)部參考或外部 -5V 參考。使用內(nèi)部參考時(shí)，將 REFIN 連接到 REFOUT；使用外部參考時(shí)，需注意旁路電容的連接和參考源阻抗的要求。

六、設(shè)計(jì)建議

外部時(shí)鐘

外部時(shí)鐘占空比范圍在 20% 至 80% 之間，不要求精確的方波。

時(shí)鐘和控制同步

為獲得最佳模擬性能，MAX180/MAX181 時(shí)鐘應(yīng)與 RD、WR 和 CS 輸入同步，轉(zhuǎn)換開始與最近的時(shí)鐘邊緣至少間隔 100ns，以避免時(shí)鐘饋通對(duì)模擬輸入的影響。

輸出數(shù)據(jù)格式

12 位數(shù)據(jù)可以全并行輸出或作為兩個(gè) 8 位字節(jié)輸出。通過(guò) HBEN 引腳控制數(shù)據(jù)輸出格式，當(dāng) HBEN 為低時(shí)，可獲得 16 位 uP 的并行輸出。

應(yīng)用提示

1. 上電初始化：在一些應(yīng)用中，為節(jié)省功率，ADC 在不活動(dòng)期間會(huì)斷電。上電時(shí)，通過(guò)執(zhí)行 HBEN 為低的讀操作來(lái)初始化 MAX180/MAX181。
2. 最小化系統(tǒng)噪聲：遵循布局、旁路和接地建議，同時(shí)盡量減少轉(zhuǎn)換期間的數(shù)字活動(dòng)，避免在 CLKIN 下降沿 ±20ns 內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)總線活動(dòng)。在 ROM 模式下，若數(shù)據(jù)總線在轉(zhuǎn)換期間活動(dòng)，應(yīng)使用三態(tài)驅(qū)動(dòng)器隔離總線與 ADC。
3. 偏移和增益調(diào)整：若需要進(jìn)行偏移和增益調(diào)整，可參考文檔中的具體方法。在調(diào)整時(shí)，先調(diào)整偏移，再調(diào)整增益。

七、動(dòng)態(tài)性能評(píng)估

傳統(tǒng)的 ADC 評(píng)估參數(shù)如零和滿量程誤差、積分（INL）和差分（DNL）非線性等適用于直流和緩慢變化的信號(hào)，但在信號(hào)處理應(yīng)用中，ADC 對(duì)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的影響更為重要。因此，采用快速傅里葉變換（FFT）測(cè)試技術(shù)來(lái)評(píng)估 MAX180/MAX181 的動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)、失真和噪聲。

信噪比和有效位數(shù)

信噪比（SNR）是基頻的均方根幅度與所有其他 ADC 頻譜分量（不包括諧波）的均方根幅度之比。信號(hào) - 噪聲 - 失真比（SINAD）是衡量 ADC 性能的更好指標(biāo)。通過(guò)測(cè)量的 SNR 可以計(jì)算出 ADC 的有效分辨率（有效位數(shù)）。

總諧波失真

總諧波失真（THD）是所有諧波（在直流以上且低于采樣率一半的頻帶內(nèi)）的均方根和與基頻的均方根幅度之比。

無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍

無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍是基頻的均方根幅度與下一個(gè)最大頻譜分量（在直流以上且低于采樣率一半的頻帶內(nèi)）的幅度之比。

綜上所述，MAX180/MAX181 是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)良的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中都能發(fā)揮重要作用。電子工程師在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體需求合理選擇和配置這兩款器件，以實(shí)現(xiàn)最佳的系統(tǒng)性能。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)類似數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。