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AD7816/AD7817/AD7818带片上温度传感器的单通道和4通道,9毫秒,10位模数转换器

时间:2020-1-17, 来源:互联网, 文章类别:元器件知识库

特征

10位ADC,带9ms转换时间;一个(AD7818)和四个(AD7817)单端模拟输入通道;AD7816是一个温度测量专用设备;片上温度传感器;分辨率0.258摄氏度;628C错误从-408C到+858C;–55个8C至+1258C工作范围;宽工作电源范围;+2.7伏至+5.5伏;固有的跟踪和保持功能;片上基准(2.5 V6 1%);超温指示器;转换结束时自动断电;低功率运行;4mW吞吐量为10 SPS;40mW吞吐量为1ksps;400 mW的10 kSPS柔性串行接口的吞吐率。

应用

环境温度监测(AD7816);恒温器和风扇控制;高速微处理器;温度测量与控制;环境温度数据采集系统;监测(AD7817和AD7818);工业过程控制;汽车;电池充电应用。

一般说明

AD7818和AD7817是10位、单通道和4通道A/D转换器,带片内温度传感器,可从单个2.7 V到5.5 V电源工作。每个部分包含一个基于电容器DAC的9μs逐次逼近变换器,一个具有±2°C的片上温度传感器,一个片上时钟振荡器,固有的跟踪和保持功能和一个片上参考(2.5 V)。AD7816是SOIC/μSOIC封装中的温度监测专用设备。

AD7817和AD7818的片上温度传感器可以通过通道0访问。当选择通道0并启动转换时,转换结束时产生的ADC代码以±0.25°C的分辨率测量环境温度。见数据表的测量温度部分。

AD7816、AD7817和AD7818具有灵活的串行接口,可以方便地与大多数微控制器接口。该接口与英特尔8051、摩托罗拉兼容SPI™和QSPI™协议及国家半导体MICROWIRE™协议。有关更多信息,请参阅本数据表的串行接口部分。

AD7817有一个0.15“16导小的窄体轮廓IC(SOIC),16引线,薄收缩小轮廓封装(TSSOP),而AD7816/AD7818有一个8导小轮廓集成电路(SOIC)和一个8导微小型轮廓集成电路(μSOIC)。

产品亮点

1、这些设备有一个片上温度传感器,允许对环境温度进行精确测量。可测量的温度范围为-55°C至+125°C。

2、通过对通道0(温度传感器)的ADC代码与片上过温寄存器的内容进行数字比较来实现过温指示器。当超过预定温度时,超温指示器引脚变为逻辑低。

3、自动断电功能使AD7816、AD7817和AD7818能够在较低的吞吐率(例如,在1 kSPS吞吐率下为40微瓦)下实现优异的电源性能。

术语信噪比

这是在A/D转换器输出端测得的信噪比(噪声+失真)。信号是基波的均方根振幅。噪声是所有非基本信号的均方根和,不超过采样频率(fS/2)的一半,直流除外。该比率取决于数字化过程中量化层级的数量;层级越多,量化噪声越小。具有正弦波输入的理想N位转换器的理论信噪比(噪声+失真)由下式给出:

因此对于10位转换器,这是62␣dB。

总谐波失真

总谐波失真(THD)是谐波的均方根和与基波的比值。对于AD7891,定义如下:

其中V1是基波的均方根振幅,V2、V3、V4、V5和V6是第二次谐波至第六次谐波的均方根振幅。

峰值谐波或杂散噪声

峰值谐波或杂散噪声被定义为ADC输出频谱中下一个最大分量(最高fS/2,不包括dc)的均方根值与基波的均方根值之比。通常,本规范的值由频谱中最大的谐波确定,但对于谐波埋入噪声层的部分,它将是噪声峰值。

互调失真

当输入由两个频率fa和fb的正弦波组成时,任何具有非线性的有源器件都会在mfa±nfb的和频和差频产生畸变产物,其中m,n=0,1,2,3等。互调项是m和n都不等于零的项。例如,二阶术语包括(fa+fb)和(fa-fb),三阶术语包括(2fa+fb),(2fa-fb),(fa+2fb)和(fa-2fb)。

AD7816、AD7817和AD7818使用CCIF标准进行测试,其中使用接近输入带宽顶端的两个输入频率。在这种情况下,二阶和三阶项的意义是不同的。二阶项通常在频率上与原始正弦波相距较远,而三阶项通常在接近输入频率的频率上。因此,二阶和三阶术语是分开指定的。互调失真的计算是根据THD规范进行的,其中它是单个失真产品的rms和与以dBs表示的基波的rms振幅的比值。

通道间隔离

信道间隔离度是测量信道间串扰水平的一种方法。它是通过将满标度20␣kHz正弦波信号应用于一个输入通道并确定该信号在其他每个通道中衰减的程度来测量的。给出的数字是所有四个频道中最坏的情况。

相对精度

相对精度或端点非线性是通过ADC传递函数端点的直线的最大偏差。

微分非线性

这是ADC中任意两个相邻代码之间的测量值与理想1␣LSB变化之间的差值。

偏移误差

这是第一个代码转换(0000)的偏差。. . 000)至(0000。. . 001)从理想状态,即AGND+1 LSB。

偏移误差匹配

这是任意两个通道之间的偏移误差差。

增益误差

这是最后一个代码转换(1111)的偏差。. . 110)至(1111。. . 111)从理想值,即VREF–1 LSB,在偏移误差调整后。

增益误差匹配

这是任何两个通道之间增益误差的差异。

跟踪/保持采集时间

跟踪/保持捕获时间是在转换结束后(跟踪/保持返回到跟踪模式的点)跟踪/保持放大器的输出达到其最终值(在±1/2 LSB范围内)所需的时间。它还适用于所选输入通道中发生变化的情况,或者在应用于AD7817或AD7818的所选VIN输入的输入电压上存在阶跃输入变化的情况。这意味着,用户必须等待转换结束后或信道改变/阶跃输入改变为VIN后的跟踪/保持采集时间的持续时间,然后才能开始另一个转换,以确保部件按规范运行。

控制字节

AD7816、AD7817和AD7818包含两个片上寄存器,地址寄存器和过温寄存器。可以通过对设备执行8位串行写入操作来访问这些寄存器。写入AD7816、AD7817和AD7818的8位字或控制字节被传送到以下两个片上寄存器之一。

地址寄存器

如果控制字节的五个msb是逻辑零,则控制字节的三个lsb被传输到地址寄存器,见图4。地址寄存器是一个3位宽的寄存器,用于选择要在其上执行转换的模拟输入通道。它还用于选择温度传感器,其地址为000。表一显示了选择。内部参考选择将ADC的输入连接到带隙基准。当进行此选择并开始转换时,ADC输出应近似中等规模。通电后,默认通道选择为DB2=DB1=DB0=0(温度传感器)。

过温寄存器

如果控制字节的五个msb中的任何一个是逻辑1,那么控制字节的整个8位都被传输到过热寄存器,见图4。在温度转换结束时,在温度转换结果(10位)和过温寄存器(8位)的内容的8个MSBs。如果温度转换的结果大于过温寄存器(OTR)的内容,则过温指示器(OTI)逻辑低。OTR的分辨率是1摄氏度。可写入OTR的最低温度为-95摄氏度,最高温度为+152摄氏度-见图5。但是,温度传感器的可用温度范围为-55°C至+125°C。图5显示了OTR和如何设置TALARM(OTI变低的温度)。

例如,要将TALARM设置为50°C,OTR=50+103=153 Dec或10011001 Bin。如果温度转换结果超过50°C,则OTI将进入逻辑低。在串行读取操作结束或新的温度测量值低于TALARM时,OTI逻辑输出复位为高。TALARM的默认电源为50°C。

电路信息

AD7817和AD7818是单通道和四通道、9微秒转换时间、带片内温度传感器的10位A/D转换器、单片机上的参考和串行接口逻辑功能。AD7816没有模拟输入通道,仅用于温度测量。A/D转换器部分由围绕电容器DAC的传统逐次逼近变换器组成。AD7816、AD7817和AD7818能够在+2.7 V至+5.5 V电源上运行,AD7817和AD7818接受0 V至+VREF的模拟输入范围。片上温度传感器允许对环境设备温度进行精确测量。温度传感器的工作测量范围为-55°C至+125°C。零件需要+2.5 V的参考电压,可以从零件自身的内部参考电压或外部参考电压源提供。通过将REFIN引脚连接到模拟接地来选择onchip参考。

转换器详细信息

通过脉冲CONVST输入启动转换。该部件的转换时钟是内部生成的,因此不需要外部时钟,除了从串行端口读取和写入时。片上跟踪/保持从跟踪到保持模式,转换序列在CONVST信号的下降沿开始。此时,忙碌信号在9微秒或27微秒后再次变高和变低(取决于是否选择了模拟输入或温度传感器),以指示转换过程的结束。该信号可由微控制器用于确定何时应读取转换结果。AD7817和AD7818的跟踪/保持捕获时间为400 ns。

通过选择片上MUX的通道0并在此通道上进行转换来进行温度测量。通道0上的转换需要27微秒才能完成。温度测量在本数据表的温度测量部分进行了说明。

片上基准对用户不可用,但REFIN可由外部基准源(仅限+2.5 V)驱动。在参考误差引起的温度测量误差一节中讨论了参考公差对温度测量的影响。

所有未使用的模拟输入应连接到标称模拟输入范围内的电压,以避免噪声拾取。为了达到最小功耗,未使用的模拟输入应与AGND连接。

典型接线图

图6显示了AD7817的典型连接图。AGND和DGND在设备上连接在一起,以实现良好的噪声抑制。忙线用于在转换过程结束时中断微控制器,串行接口使用三条线实现。更多详细信息,请参阅串行接口部分。外部2.5 V参考电压可连接到REFIN引脚。如果使用外部基准,REFIN和AGND之间应连接10μF电容器。对于涉及功耗的应用,应使用转换结束时的自动断电来提高电源性能。请参阅数据表的“关机”部分。

模拟输入模拟输入

图7显示了AD7817和AD7818的模拟输入结构的等效电路。两个二极管D1和D2为模拟输入提供ESD保护。必须注意确保模拟输入信号不会超过电源轨200 mV以上。这将导致这些二极管变得正向偏压,并开始向基板传导电流。这些二极管可以在不造成不可逆损坏的情况下最大电流为20毫安。图7中的电容器C2通常约为4pF,主要归因于引脚电容。电阻器R1是由多路复用器和开关的导通电阻组成的集总元件。该电阻通常约为1kΩ。电容器C1是ADC采样电容器,其电容为3pf。

直流采集时间

ADC在转换结束时开始一个新的采集阶段,并在CONVST信号的下降沿结束。在转换结束时,稳定时间与采样电路相关联。这种稳定时间持续约100纳秒。在这段时间内,还将采集VIN+上的模拟信号。因此,所需的最小捕获时间大约为100纳秒。

图8显示了ADC处于采集阶段时采样电容器的等效充电电路。R2表示缓冲放大器或电阻网络的源阻抗,R1表示内部多路复用器电阻,C1表示采样电容。

在采集阶段,采样电容器必须充电至其最终值的1/2 LSB以内。采样电容器充电所需的时间(TCHARGE)由以下公式给出:

对于较小的源阻抗值,与采样电路相关联的稳定时间(100ns)实际上是ADC的采集时间。例如,源阻抗(R2)为10π,采样电容的充电时间大约为23纳秒。对于1kΩ及更大的源阻抗,充电时间变得显著。

交流采集时间

在交流应用中,建议始终缓冲模拟输入信号。驱动电路的源阻抗必须尽可能低,以使ADC的采集时间最小化。较大的源阻抗值将导致THD在高吞吐率下降低。

片上参考

AD7816、AD7817和AD7818具有一个片上+1.2V带隙基准,该基准可获得+2.5V的输出。通过将REFIN引脚连接到模拟接地来选择片上基准。这导致SW1(见图9)打开,基准放大器在转换过程中通电。因此,片上参考不可从外部获得。外部+2.5 V参考电压可以连接到REFIN引脚。这样做的效果是关闭片上参考电路,并将IDD降低约0.25毫安。

ADC传输函数

AD7816、AD7817和AD7818的输出编码是直接二进制的。设计的代码转换发生在连续的整数LSB值(即1 LSB、2 LSB等)处。LSB大小为=+2.5 V/1024=2.44 mV。理想传输特性如下图10所示。

温度测量

片上温度传感器可以通过多路复用器通道0(即,通过将0 0写入通道地址寄存器)来访问。温度也是开机默认选择。温度传感器的传输特性如下图11所示。通道0上10位转换的结果可以使用以下公式转换为摄氏度。

例如,如果信道0上的转换结果为100000000(512 Dec),则环境温度等于–103°C+(512/4)=+25°C。

下表II显示了不同温度下的一些ADC代码。

参考误差引起的温度测量误差

AD7816、AD7817和AD7818使用精度为+2.5 V的参考电压进行修剪,以提供前面描述的传递函数。为了显示参考公差对温度读数的影响,可以将温度传感器传递函数重写为参考电压和温度的函数。

代码(Dec)=([113.3285××]/[q×]0.6646)×1024其中K=玻尔兹曼常数,1.38×10-23q=电子电荷,1.6×10-19t=温度(K)

例如,计算25°C时的ADC代码

代码=([113.3285×298×1.38×10-23]/[1.6×10-19×2.5]–0.6646)×1024=511.5(200十六进制)

从表达式可以看出,参考误差将产生增益误差。这意味着在较高的温度下,由参考误差引起的温度测量误差将更大。例如,当参考误差为-1%时,-55°C时的测量误差为+2.2 lsb(0.5°C)和+125°C时的+16 lsb(4°C)。

自加热注意事项

AD7817和AD7818具有能够达到100 kSPS吞吐率的模数转换功能。在这个吞吐率下,AD7817和AD7818将消耗4兆瓦到6.5兆瓦的功率。由于热阻抗与集成电路封装相关,因此这种功耗会导致芯片温度升高。下图显示了16引线SOIC封装中的自加热效应。图12和13显示了两层和四层PCB的自热效应。这些图是通过将加热器(电阻器)和温度传感器(二极管)组装在被评估的封装中生成的。在图12中,加热器(6mw)在30秒后关闭。在加热器打开后的头几秒钟内,PCB对自加热几乎没有影响。在图13中可以更清楚地看到,加热器在2秒后关闭。图14显示了空气、流体和与大型散热器热接触的自热的相对效应。

这些图表代表了自加热的最坏情况。在所有情况下,加热器向机组内部输送6兆瓦。这个功率水平相当于在100 kSPS下连续转换的ADC。通过在模式2下运行,可以在较低的ADC吞吐量下降低自加热的影响—请参阅“运行模式”一节。在这种模式下工作时,片上功耗会显著降低,从而产生自热效应。

工作模式

根据转换结束时CONVST脉冲的状态,AD7816、AD7817和AD7818有两种可能的工作模式。

模式1

在这种操作模式下,CONVST脉冲在转换结束前(即在忙变低之前)被调高(见图16)。在此模式下操作时,在串行读取操作结束100 ns后才应启动新的转换。这个安静时间是为了让磁道/保持在串行读取后准确地获取输入信号。

模式2

当AD7816、AD7817和AD7818在模式2下工作时(见图17),它们在转换结束时自动断电。CONVST被调低以启动转换,并且在转换结束之前保持逻辑低。此时,也就是说,当BUSY变低时,设备将断电。在CONVST信号上升沿上,设备再次通电。在这种操作模式下,只需对AD7816、AD7817和AD7818通电以执行转换,即可获得优异的功率性能(请参阅功率与吞吐量部分)。

功率与吞吐量

通过在转换结束时使用自动断电(模式2),可以获得优异的功率性能参见数据表的操作模式部分。

图18显示了如何实现自动关机,以从AD7816、AD7817和AD7818获得最佳的电源性能。设备在模式2下工作,CONVST脉冲的持续时间设置为等于通电时间(2微秒)。随着设备的吞吐率降低,设备保持其断电状态的时间更长,并且随着时间的推移,平均功耗相应下降。

例如,如果AD7817以10 kSPS的吞吐率在连续采样模式下工作,则功率消耗计算如下。正常运行期间的功耗为6mw,VDD=3v。如果通电时间为2微秒,转换时间为9微秒,则可以说AD7817在每个转换周期期间通常在11微秒(最坏情况)内损耗6mw。如果吞吐率为10 kSPS,则周期时间为100微秒,每个周期的功耗为(11/100)×(6 mW)=600微瓦(典型值)。

AD7817串行接口

AD7817上的串行接口是一个具有读写功能的五线接口,数据通过输出线从输出寄存器读取,数据通过数据输入线写入控制寄存器。该部件在从机模式下工作,需要一个外部应用的串行时钟到SCLK输入,以访问数据寄存器中的数据或写入控制字节。RD/WR线用于确定数据是写入AD7817还是从AD7817读取。当数据被写入AD7817时,RD/WR线被设置为逻辑低,当从部件读取数据时,该线被设置为逻辑高,见图20。AD7817上的串行接口设计为允许部件连接到提供与串行数据同步的串行时钟的系统,例如80C51、87C51、68HC11、68HC05和PIC16Cxx微控制器。

读取操作

图20显示了从公元7817年。CS被调低以启用串行接口,而RD/WR被设置为逻辑高,以指示数据传输是从AD7817串行读取的。RD/WR的上升沿将第一个数据位(DB9)打卡,随后的位在SCLK的下降沿打卡,并且在上升沿上有效。读取操作期间传输10位数据。但是,如果不需要转换结果的全部10位,则用户可以选择仅计时8位。如果正在读取10位数据,则可以以字节数访问串行数据。但是,在数据传输操作期间,RD/WR必须保持高。在开始新的数据读取操作之前,RD/WR信号必须再次变低和变高。在读取操作结束时,DOUT线在CS的上升沿或RD/WR的下降沿上进入高阻抗状态,以先发生者为准。

写操作

图20还显示了对AD7817的控制字节写入操作。RD/WR输入变低,以指示部件即将发生串行写入。AD7817控制字节加载在串行时钟的前8个时钟周期的上升沿上,忽略所有后续时钟周期的数据。要执行第二次连续写入操作,必须将RD/WR信号再次调高和调低。

简化串行接口

为了最小化到AD7817的互连线的数量,用户可以将CS线连接到DGND。如果AD7817没有与另一个设备共享串行总线,这是可能的。也可以把喧闹和喧闹的场面绑在一起。这种配置与8051微控制器兼容。68HC11、68HC05和PIC16Cxx可以配置为使用单个串行数据线操作。这样,操作串行接口所需的线路数量可以减少到三条,即RD/WR、SCLK和DIN/OUT,见图6。

AD7816和AD7818串行接口模式

AD7816和AD7818上的串行接口是具有读写功能的三线接口。数据从输出寄存器读取,控制字节通过输入/输出线写入AD7816和AD7818。该部件在从机模式下工作,需要一个外部应用的串行时钟到SCLK输入端,以访问数据寄存器中的数据或写入控制字节。RD/WR线用于确定数据是写入到AD7816和AD7818还是从AD7818读取。当数据被写入设备时,RD/WR线路被设置为逻辑低,当数据从部件读取时,线路被设置为逻辑高,见图21。AD7816和AD7818上的串行接口设计为允许部件连接到提供与串行数据同步的串行时钟的系统,例如80C51、87C51、68HC11、68HC05和PIC16Cxx微控制器。

读取操作

图21显示了从AD7816和AD7818串行读取的时序图。RD/WR被设置为逻辑高,以指示数据传输是从设备的串行读取。当RD/WR为逻辑高电平时,DIN/OUT引脚变为逻辑输出,第一个数据位(DB9)出现在引脚上。随后的位在SCLK的下降沿上计时,从RD/WR变高后的第二个SCLK下降沿开始,并在SCLK的上升沿上有效。读取操作期间传输10位数据。但是,如果不需要转换结果的全部10位,则用户可以选择仅计时8位。如果正在读取10位数据,则可以以字节数访问串行数据;但是,在数据传输操作期间,RD/WR必须保持高。要执行连续的读取操作,必须再次将RD/WR引脚设置为逻辑低电平和高电平。在读取操作结束时,DIN/OUT引脚成为RD/WR下降沿上的逻辑输入。

写操作

对AD7816和AD7818的控制字节写入操作也如图21所示。RD/WR输入变低,以指示部件即将发生串行写入。AD7816和AD7818控制字节加载在串行时钟的前8个时钟周期的上升沿上,忽略所有后续时钟周期的数据。要对AD7816或AD7818执行连续写入,必须再次将RD/WR引脚设置为逻辑高电平和低电平。

外形尺寸

尺寸单位为英寸和(mm)。










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