ADS7813是一个低功耗的单+5V电源，16-位采样模数转换器

特征

最大转换时间为20微秒；单电源+5V运行；与12位ADS7812兼容的引脚；易于使用的串行接口；16针0.3“塑料浸渍和SOIC；最大值为±2.0LSB；87dB最小SINAD；使用内部或外部。

参考

多个输入范围；35mW最大功耗；无缺失代码；50微瓦断电模式。

应用

医疗器械；数据采集系统；机器人技术；工业控制；测试设备；数字信号处理；数字信号处理器伺服控制。

说明

ADS7813是一个低功耗的单+5V电源，16-位采样模数转换器。它包含一个完整的16位电容式SAR A/D采样/保持、时钟、参考和串行数据接口。转换器可以配置为多种输入范围包括±10V、±5V、0V至10V和0.5V至4.5V。高阻抗0.3V至2.8V输入范围为也可用（输入阻抗>10MΩ）。对大多数人来说输入范围，输入电压可以摆动到+16.5V或–16.5V，不会损坏转换器。灵活的SPI兼容串行接口允许数据与内部或外部时钟同步。

ADS7813规定为40kHz采样率在-40°C到+85°C的温度范围内。它是提供16针0.3“塑料浸渍或16引线SOIC封装。

基本操作

内部数据CLK

图1a显示了在±10V输入范围内操作ADS7813的基本电路。要开始转换和串行传输先前转换的结果，请必须为CONV输入提供下降沿。BUSY将变低，表示转换已启动，并在转换完成之前一直保持低位。在转换期间，先前转换的结果将通过数据传送，而DATACLK为串行数据提供同步时钟。数据格式为16位，二进制二补，MSB优先。每个数据位在DATACLK的上升沿和下降沿上都有效。

BUSY在整个串行传输过程中处于低位，可以用作帧同步信号。

外部数据CLK

图1b显示了在±10V输入范围内操作ADS7813的基本电路。要开始转换，必须为CONV输入提供下降沿。BUSY将变低，表示转换已启动，并在转换完成之前一直保持低位。就在转换快结束时忙上升之前，保存转换结果的内部工作寄存器将被转移到内部移位寄存器。

内部移位寄存器通过DATACLK输入进行计时。读取转换结果的推荐方法是在转换完成后提供串行时钟。有关详细信息，请参阅本数据表“读取数据”部分下的“外部数据CLK”。

开始转换

如果转换当前未进行，则CONV输入将sample和hold置于hold模式，并开始转换，如图2所示，时间如表II所示。在转换过程中CONV输入被忽略。启动转换不取决于CS的状态。每25秒（40kHz最大转换率）可转换一次。没有最低转换率。

即使在转换过程中忽略CONV输入，在转换期间，该输入仍应保持静态。此数字输入上的转换很容易耦合到转换器的敏感模拟部分，从而对转换结果产生不利影响（有关更多信息，请参阅本数据表的“对外部数字信号的敏感度”一节）。

理想情况下，CONV输入应在整个转换过程中变低并保持低位。它应该在忙碌过后的某个时候回到高点。此外，在t5给出的最小时间段内，在下一次转换开始之前，它应该是高的。这将确保数字转换CONV输入不会影响为下一次转换采集的信号。

可接受的替代方法是在转换开始后尽快返回CONV input HIGH。例如，一个100ns宽的负向脉冲将产生一个好的CONV输入信号。强烈建议从转换开始后的时间t2到BUSY上升，CONV输入应保持静态（高或低）。在此期间，转换器对外部噪声更敏感。

读取数据

ADS7813的数字输出采用二进制二补（BTC）格式。表三显示了理想条件下数字输出字与模拟输入电压之间的关系。

图3显示了ADS7813的各种数字输入、数字输出和内部逻辑之间的关系。图4显示了ADS7813的内部移位寄存器何时更新，以及这与单个转换周期的关系。这两个数字一起指出了ADS7813的一个非常重要的方面：转换完成后才能得到转换结果。图4。移位寄存器更新的定时。以下各节将讨论这一点的含义。

内部数据CLK

当EXT/INT被低位绑定时，转换'n'的结果在转换'n+1'期间被串行传输，如图5所示，并且时间在表II中给出。数据的串行传输仅在转换期间发生。当传输没有进行时，DATA和DATACLK低。

在转换期间，先前转换的结果将通过数据传送，而DATACLK为串行数据提供同步时钟。数据格式为16位，二进制二补，MSB优先。每个数据位在数据时钟。BUSY在整个串行传输过程中处于低位，可以用作帧同步信号。

外部数据CLK

当EXT/INT绑定为HIGH时，转换“n”的结果将在转换完成后、下一次转换期间（“n+1”）或这两者的组合中计时。图6显示了转换完成后读取转换结果的情况。图7描述了在下一次转换期间读取结果的过程。图8结合了图6和图7中关于在转换完成后读取部分结果和在下一次转换期间读取其余结果的重要方面。

转换结果的串行传输由DATACLK上的上升沿启动。数据格式是16位，图6。串行数据定时，外部时钟，转换完成后的时钟（EXT/INT HIGH，CS LOW）。二进制的补码，并且MSB优先。每个数据位都在DATACLK的下降沿上有效。在某些情况下可能使用DATACLK信号的上升沿。但是，最后一个位需要一个额外的时钟周期（图6、7和8中没有显示）。

外部数据CLK信号必须低或CS必须在繁忙上升之前保持高位（参见图7和图8中的时间t25）。如果在此期间未观察到这一点，则ADS7813的输出移位寄存器将不会随转换结果而更新。相反，移位寄存器的先前内容将保留，新结果将丢失。

在阅读下三段之前，请参阅本数据表的“外部数字信号灵敏度”一节。这将解释关于如何以及何时应用外部DATACLK信号的许多问题。

获得转换结果的首选方法是在转换完成之后和下一次转换开始之前提供DATACLK信号，如图6所示。注意，在下一次转换开始之前，DATACLK信号应该是静态的。如果没有观察到这一点，DATACLK信号可能会影响所采集的电压。

下一次转换期间外部数据clk处于活动状态

另一种获得转换结果的方法如图7所示。由于输出移位寄存器在转换结束之前不会更新，所以在下一次转换期间，上一个结果仍然有效。如果可以向ADS7813提供快时钟（≥2MHz），则可以在时间t2期间读取结果。在此期间，来自DATACLK信号的噪声不太可能影响转换结果。

转换后和下一次转换期间外部数据clk处于活动状态

图8显示的方法是前两种方法的混合。这种方法对微控制器非常有效这样做串行传输8位，一次为较慢的微控制器。例如，如果微控制器能够产生的最快的串行时钟是1μs，图6所示的方法将导致吞吐量降低（26kHz最大转换率）。如果没有影响转换结果的风险，则无法使用图7中描述的方法（时钟必须在时间t2之后处于活动状态）。图8中的方法导致改进的吞吐率（1 kS最大值为33 kHz），并且数据TACK在时间T2之后不活动。

与ADS7812兼容

ADS7812和ADS7813的唯一区别在于内部控制逻辑和数字接口。由于ADS7812是12位转换器，内部移位寄存器的宽度为12位。此外，在转换过程中，仅进行12位决策。因此，ADS7812的转换时间约为ADS7813的75%。

在内部数据时钟模式下，ADS7812在转换期间产生12个数据时钟周期，而不是ADS7813的16个（见图5）。在外部数据时钟模式下，ADS7812可以接受数据时钟上的16个时钟周期。在第13个时钟周期开始时，数据输出将变低并保持低。因此，图6、7、8和表II中的相关时间也可用于ADS7812，但转换结果的最后四位将为零。

芯片选择（CS）

CS输入允许禁用ADS7812的数字输出，并在EXT/INT高时对外部数据CLK信号进行选通。启用和禁用请参见图9与CS和图3有关的ADS7813逻辑框图的时间。数字输出可随时禁用。

注意，转换是在即使CS很高也可以转换。如果EXT/INT输入低（内部数据CLK）和CS在整个转换过程中处于高位，先前的转换结果将丢失（发生串行传输，但数据和数据CLK被禁用）。

ADS7813提供了许多输入范围。这是通过将三个输入电阻连接到模拟输入（VIN）、接地（GND）或2.5V参考缓冲输出（BUF）来实现的。表1显示了大多数数据采集应用中通常使用的输入范围。这些范围都保证满足规格表中给出的规格。表IV包含理想输入范围、相关输入连接和有关范围的注释的完整列表。

输入阻抗来自各种连接和内部电阻值（参考本数据表首页的方框图）。内部电阻值是典型的，由于工艺变化，可以改变±30%。然而，电阻的比率匹配要比这个好得多。因此，输入范围从一个部分到另一个部分仅变化0.十分之几，而输入阻抗变化可达±30%。

规格表包含模拟输入范围变化的最大限制，但仅适用于注释字段显示偏移和增益被保证的范围（这包括表I中列出的所有范围）。对于其他范围，偏移量和增益未经测试，也无法保证。

表四中的五个输入范围不建议用于一般用途。-2.5V至175V范围的上端和2.5V到22.5V的范围超过绝对最大模拟输入电压。只要输入电压保持在绝对最大值以下，这些范围仍然可以使用，但这将适度地降低转换器的满量程范围。

同样，三个输入范围涉及R2IN的连接被驱动到低于GND的位置。该输入有一个反向ESD保护二极管接地。如果R2IN低于GND–0.3V，则该二极管将正向偏置，并将负输入钳制在–0.4V到–0.7V，具体取决于温度。由于这些输入范围的负满标度值超过–0.4V，因此不建议使用它们。

请注意，表IV假设参考引脚的电压为2.5V。如果使用内部参考或外部参考为2.5V，则为2.5V。其他参考电压将改变表IV中的值。

高阻抗模式

当R1IN、R2IN和R3IN连接到模拟输入端时，ADS7813的输入范围为0.3125V到2.8125V，输入阻抗大于10MΩ。此输入范围可用于将ADS7813直接连接到各种传感器。图10显示了传感器的阻抗与ADS7813的ILE和DLE的变化。ADS7813的性能可以通过允许更多的采集时间来提高传感器阻抗。例如，对于相同的IL/DLE性能，10秒的采集时间将近似为双传感器阻抗。

ADS7813的输入阻抗和电容随温度变化非常稳定。假设传感器也是如此，图10所示的图表在ADS7813的保证温度范围内的变化将小于几个百分点。如果传感器阻抗随温度变化很大，则应使用最坏情况下的阻抗。

驱动ADS7813模拟输入

一般来说，任何“相当快”，高质量的运算或仪表放大器可以用来驱动ADS7813输入。当转换器进入采集模式时，会有一些电荷从转换器的输入注入到放大器的输出。这可能会导致较慢的放大器的稳定时间不足。小心使用单电源放大器，特别是当它们的输出需要非常接近电源轨时。

另外，要注意放大器的线性度。单电源和“轨对轨”放大器的输出在接近电源轨时可能饱和。而不是放大器的传递函数是一条直线，曲线可以变得严重的's'形。另外，注意放大器从源电流切换到吸收电流的位置。对于某些放大器，传输函数在这一点上可以明显地不连续，从而导致输出电压的显著变化，而输入电压的变化要小得多。

Burr Brown生产各种各样的运算放大器和仪表放大器，可用于驱动ADS7813的输入。其中包括OPA627、OPA132和INA110。

参考

ADS7813可以使用其内部2.5V参考电压或外部参考电压进行操作。通过将外部参考电压施加到参考引脚，内部参考电压被过驱动。REF输入端的电压由单位增益缓冲器内部缓冲。缓冲区的输出出现在BUF和CAP引脚上。

裁判

参考引脚是内部2.5V参考的输出或外部参考的输入。该引脚和接地之间应连接一个1至2.2μF的tantulum电容器。电容器应尽可能靠近ADS7813。

使用内部参考时，参考销不应连接到任何类型的有效负载。外部负载将导致与内部参考串联的内部4kΩ电阻器上的电压降。甚至是40MΩ外部负载对地将导致转换器的满标度范围为6 LSB。

外部参考电压的范围是2.3V到2.7V。参考电压决定了转换器的满标度范围和相应的LSB大小。增加参考电压将增加与内部噪声源相关的LSB大小，而内部噪声源又可以提高信号的信噪比。同样，降低参考电压将减小LSB大小和信噪比。

帽子

盖销用于补偿内部参考缓冲器。1μF钽电容器与0.01μF陶瓷电容器并联应连接在该引脚和接地之间，陶瓷电容器应尽可能靠近ADS7813。帽销上的总电容值对ADS7813的最佳性能至关重要。大于2.0μF的值可能会过度补偿缓冲器，而小于0.5μF的值可能无法提供足够的补偿。

缓冲器

BUF引脚上的电压是内部参考缓冲器的输出。此引脚用于为各种输入配置的模拟输入或输入提供+2.5V。

BUF输出可向外部负载提供高达1毫安的电流。负载应该是恒定的，因为可变负载可以通过调节BUF电压来影响转换结果。还要注意，BUF输出将在转换过程中每一位决策时显示明显的故障。在转换之间，BUF输出是安静的。

断电

ADS7813具有断电模式，该模式由先让CONV低然后PWRD高。这将使包括参考在内的所有模拟电路断电，将功耗降低到50μW以下。

断电模式，CONV为高，然后PWRD为低。注意，如果当CONV低时，PWRD高。

在断电模式下，连接到CAP和REF的电容器上的电压将开始泄漏。电容器上的电压泄漏比参考电容器上的电压泄漏要快得多（当PWDN高时，ADS7813的参考输入变为高阻抗，这对电容器输入不适用）。当掉电模式退出时，必须允许这些电容器充电并稳定到16位电平。图11显示了根据断电时间（在室温下）获得有效16位结果通常需要的时间量。此图假设盖销上的总电容为1.01μF。

图12提供了一种电路，如果断电时间相当短（几秒或更短），则可以显著缩短通电时间。低导通电阻MOSFET用于从ADS7813内部的泄漏路径断开帽销上的电容。这使得电容器能够在更长的时间内保持充电，从而减少了通电充电所需的时间。在这种电路中，断电时间可以延长到几十毫秒或几百毫秒，几乎是瞬间通电。

布局

ADS7813应视为精密模拟元件，并应完全位于印刷电路板的“模拟”部分。理想情况下，地平面应延伸至ADS7813下方和所有其他模拟组件下方。此平面应与数字地面分开，直到它们在电源连接处连接。这将有助于防止动态数字接地电流通过公共阻抗调制模拟接地。

+5V电源应清洁、调节良好，并与设计数字部分的+5V电源分开。一种可能是从ADS7813附近的线性调节器获得+5V电源。如果源于数字+5V电源，则应将5Ω至10Ω电阻与数字电源的电源连接串联。可能还需要增加VS引脚附近的旁路电容（与10μF和0.1μF电容器并联的额外100μF或更大的电容器）。对于具有大量数字元件或高速数字逻辑的设计，这种简单的电源滤波方案可能不够。

对外部数字信号的敏感性

基于逐次逼近寄存器的A/D转换器对外部噪声源是敏感的。原因将在以下段落中解释。对于ADS7813和类似的A/D转换器，这种噪声通常是由外部数字信号的转换引起的。虽然在转换器附近运行的数字信号可能是噪声源，但最大的问题出现在转换器本身的数字输入上。

在许多情况下，系统设计器可能不知道存在问题或潜在问题。对于12位系统，这些问题通常至少出现在有效位，并且仅出现在转换器传输函数中的某些位置。对于一个16位的转换器，这个问题更容易被发现。

例如，图2中的时序图显示，在时间t2期间的某个时间段，CONV信号应该返回HIGH。实际上，在转换过程中，CONV信号可以随时返回高电平。然而，在时间t2之后，CONV信号的转换有可能在ADS7813芯片上产生大量噪声。如果这个转换恰好发生在错误的时间，转换结果可能会受到影响。以类似的方式，DATACLK输入上的转换可能会影响转换结果。

对于ADS7813，在转换期间有16个单独的位决策。首先做出最高有效位决定，在转换结束时继续进行最低有效位。每一个位决策都涉及一个假设，即被测试的位应该被设置。这与迄今为止取得的成果相结合。转换器将此综合结果与实际输入电压进行比较。如果合并结果太高，则清除该位。如果结果等于或低于实际输入电压，则该位保持高。这就是为什么基本体系结构被称为“逐次逼近寄存器”的原因。

如果到目前为止的结果非常接近实际输入电压，那么比较涉及两个非常接近的电压。ADS7813的设计使得内部噪声源在比较器结果被锁定之前是最小的。然而，如果此时外部数字信号转换，大量噪声将耦合到ADS7813的敏感模拟部分。即使该噪声在两个电压之间产生仅为2mV的差异，转换结果将被52个计数或最低有效位（lsb）关闭。（无论输入范围如何，ADS7813的内部LSB大小都是38μV。）

一旦数字转换导致比较器做出错误的比特决定，就不能纠正该决定（除非采用某种类型的错误纠正）。所有随后的位决定都将是错误的。图13显示了一个错误的逐次逼近过程。虚线表示正确的位决定应该是什么。实线表示转换的实际结果。

请记住，比较器对噪声最敏感的时间段相当小。此外，由数字转换产生的噪声“事件”的峰值部分相当短，因为大多数数字信号在几纳秒内转换。随后的噪声可能会持续比这更长的时间，并可能导致需要更长的稳定时间的进一步影响。然而，一般来说，事件在几十纳秒内就结束了。

对于ADS7813，在确定第10位时进行纠错。在该比特决定期间，可以纠正在先前比特决定期间可能发生的有限错误。然而，在第10位之后，不可能进行这样的校正。注意，对于图2、5、6、7和8中所示的时序图，所有外部数字信号应保持从转换开始后的8微秒到繁忙上升的静止时间。第十位决定约10秒到11秒进入转换。

应用程序信息

过渡噪声

如果将低噪声直流输入应用于ADS7813并执行1000次转换，则转换器的数字输出将在输出代码中略有变化。所有16位SAR转换器都是这样。规范部分中的过渡噪声规范是一个统计数字，表示这些输出代码的一西格玛极限。

使用直方图来绘制每个输出码的出现次数，分布应呈钟形，曲线的峰值代表给定输入电压的标称输出码。此标称代码周围的±1σ、±2σ和±3σ限值应分别包含68.3%、95.5%和99.7%的转换结果。作为一个粗略的近似，乘性转换噪声乘以6（±3），将产生在1000个转换中应该存在的唯一输出码的数目。

ADS7813具有0.6LSB的过渡噪声系数，产生大约4个不同的输出代码，用于1000个转换。然而，由于±3σ仅为99.7%，因此高达3转换有可能超出此范围。此外，每个码的差分线性误差和转换器执行的量化导致直方图偏离理想值。图14显示了从ADS7813转换5000次的柱状图。

平均值

通过平均变换结果，可以降低变换器的噪声。噪音将减少一倍1/√n，其中‘n’是平均数。例如，平均四次转换将减少一半的转换噪声，达到0.3lsb。平均值只能用于低频信号。

对于高频信号，可以使用数字滤波器来降低噪声。其工作方式与平均类似：信号带宽每减少两次，信噪比就会提高3分贝。

QSPI接口

图15显示了ADS7813和任何排队串行外围接口（QSPI）之间的一个简单接口，该接口配备了微控制器（可在摩托罗拉的几个设备上使用）。该接口假定转换脉冲并非来自微控制器，并且ADS7813是唯一的串行外围设备。

在启用QSPI接口之前，微控制器必须配置为监视从机选择（SS）线路。当发生从低到高的转换（指示转换结束）时，可以启用端口。如果不这样做，微控制器和A/D转换器可能无法正确同步。（从机选择线只启用通信，并不表示串行传输的开始或结束。）

图16显示了一个装有QSPI的微控制器与三个ADS7813s接口。这个接口方案有很多可能的变化。如图所示，QSPI端口生成在所有三个转换器上启动转换的公共转换信号。转换完成后，依次传输每个结果。QSPI端口完全可编程，无需处理器干预即可处理定时和传输。如果以这种方式产生CONV信号，则应该可以使用ADS7813进行交流和直流测量，因为CONV信号将具有低抖动。注意，如果CONV信号是通过软件命令生成的，它将有大量的抖动和SPI接口串行外围接口（SPI）与QSPI直接相关，图15和图16都可以用作将ADS7813连接到配备SPI的微控制器的指南。对于大多数微控制器，SPI端口只能进行8位传输。在图15的情况下，注意微控制器可能必须能够在被8个最低有效位覆盖之前获取8个最高有效位。

DSP56002接口

DSP56002串行接口具有SPI兼容性模式和一些增强。图17显示了ADS7813和DSP56002之间的接口。就像图15的QSPI接口，必须对DSP56002进行编程，以便在SCI发生高转换。DSP56002还可以提供CONV信号，如图所示在图18中。的接收和发送部分接口是分离的（异步模式），发送部分设置为每其他发送帧（帧速率分频器设置为2）。这个应设置预分频模数以产生传输帧两倍于期望的转化率。