高性能模數轉換器ＡＤＳ１６０６及其應用

金　劍　　巴特爾

ADS1606是德克薩斯儀器公司開發的高速、高精度的16位ΔΣ模數轉換器。其采樣速率為5MSPS，帶寬為2.45MHz,且帶內信號波動小于±0.0025dB，信噪比為88dB; 非線性失真為－99dB，無失真動態范圍為101dB。倍頻采樣（2X模式）時，數據采樣率能達到10MSPS。ADS1606還可通過片上的可調FIFO輸出數據，基準電壓源由片上基準電源或外基準源提供。簡易的并行數字輸出數據接口可直接與數字信號處理器連接，方便用戶接口設計。ADS1606的工作電源為+5V的模擬電源和+3V的數字電源，獨立的數字I/O電源設計使之可靈活與其它邏輯芯片接口，其工作電壓為+2.7～+5.25V。芯片采用64引腳的TQFP封裝，封裝形式和引腳排列如圖1所示。

內部結構及引腳功能

ADS1606的內部結構如圖2所示，芯片由ΔΣ調制器、數字濾波器、I/O接口、FIFO、基準源和偏置電路等組成。表1示出了引腳名稱及功能。

應用設計

作為一款高性能的ΔΣ模數轉換器，ADS1606的過采樣率在默認狀態下為8，此刻的數據采樣率是5MSPS，倍頻模式（2XMODE）通過使過采樣率縮減為4來達到10MSPS的采樣速率。

度量輸入信號和基準電壓時，應考慮將相關引腳信號電平進行差分轉換，輸入信號電壓VIN=（AINP-AINN），基準電壓VREF=（VREFP-VREFN）。16位的并行輸出數據總線可以直接與DSP芯片連接，方便用戶接口設計。獨立的數字I/O電源設計使芯片可靈活與其它邏輯芯片接口。

輸入控制 （1）模擬輸入（AINP,AINN）：ADS1606通過將差分轉換后的輸入信號電平VIN和差分轉換后的基準電壓VREF進行比較來進行數據量化。此外，對基準電源進行內部定標保證了輸入信號電平VIN的最大幅值為1.545VREF。注意采樣值是有符號數值，若A15為16位采樣數據的最高位，則A15為符號位，A15=0表示正極性，A15=1表示負極性，其它15位與輸入信號電平大小相對應。最大正極性輸入信號的電平VIN為1.545VREF，相應的數字編碼為7FFFH，最大負極性輸入信號的電平VIN為-1.545VREF，相應的數字編碼輸出為8000H。

（2）基準源輸入：無論選擇內基準源或外基準源，基準電壓VREF都等于VREFP和VREFN的差值，即：VREF=（VREFP-VREFN），VREFP和VREFN各有2個引腳（63，64和60，61），在使用前均應分別短接。

選擇內基準源時，應將VREFN引腳置為低電平，以此激勵內部電路產生基準電壓，選擇外基準源時則相應將VREFN引腳置為高電平。

（3）時鐘輸入：時鐘輸入由外部時鐘源提供，時鐘信號從CLK引腳輸入并控制ΔΣ調制器的數據采樣。此外，應選用晶振作為時鐘源以實現最佳性能。

數據格式 16位輸出數據以二進制補碼形式存在，見表2。當輸入正極性信號電平VIN超過1.545VREF時，相應的編碼輸出為7FFFH，同時OTR(溢出指示)引腳變成高電平，表示溢出。同樣，輸入負極性信號VIN低于-1.545VREF時，對應的編碼輸出為8000H，且OTR引腳變成高電平（溢出）。

數據輸出控制 當DRDY引腳信號至波形下降沿時，輸出數據有效。為激活輸出數據總線， CS和RD引腳必須同時置為低電平，如表3所示。

模擬電源功耗及休眠模式 在RBIAS引腳和模擬地之間，需外接一電阻器RBIAS，用來設置模擬電流電平，如圖3所示。表4為RBIAS與時鐘頻率、典型功耗的對應關系。如在電阻器RBIAS兩端并聯上電容將對內偏置電路產生干擾，在使用中應注意。

當停止采樣時，通過將PD引腳置為低電平來啟動休眠模式。進入休眠狀態后，包括基準電壓源在內的所有電路都被切斷。為減小休眠狀態時的數字電流，應停止CLK引腳的時鐘信號輸入。芯片內部，在PD引腳還連接了一個170kΩ的內置負載電阻。若不使用PD引腳，可將其直接接至IOVDD引腳。如果FIFO使能，則在退出休眠模式后還需對ADS1606復位。當退出休眠模式并開始采樣時，基準源達到穩定狀態約需15ms。待基準源穩定后，再經過100個DRDY信號周期（調制器和數字濾波器的調整穩定時間）方能獲取有效數據。

2X模式當2XMODE數字引腳為低電平時，過采樣率為8（16位采樣）；引腳為高電平時，過采樣率為4（14位采樣），且16位DOUT引腳都被激活。2X模式時，過采樣率從8減到4使數據采樣率加倍。當fCLK=40MHz時，數據采樣率變為10MSPS。同時，群時延縮減到0.9μs，穩定時間變為1.3μs或13個DRDY信號周期。芯片處于2X模式時，噪聲隨過采樣率的減小而增加，典型信噪比降為14dB，諧波失真基本不變。

應用實例圖4為ADS1606與TMS320C6000系列數字信號處理器的接口方式。數字信號處理器的ARE引腳負責讀數據控制，CE2引腳對ADS1606進行選中。ADS1606的16位數據總線直接與DSP芯片的數據總線相連，簡化了數據傳送操作。ADS1606的DRDY引腳與DSP芯片的EXT_INT7引腳（外部中斷管腳7）相連，可用以驅動CPU的外部中斷7信號。

德克薩斯儀器公司提供的CCS集成開發環境，除可對TI的TMS320系列數字信號處理器進行功能強大的軟件調試外，還為DSP芯片和模數轉換器的接口提供必要的插件，大大方便了數據采集系統和信號處理系統的跨接和軟件調試。

結束語

ADS1606接口簡單，使用方便、靈活，16位的高精度采樣，同時又有很高的數據轉換速度。在大多數需要高速數據采集和高精度測量的應用場合中，該芯片具有很強的實用性。