最高18位分辨率、10 MSPS 采样速率的逐次逼近型模数转换器（ADC）可以满足许多数据采集应用的需求，包括便携式、工业、医疗和通信应用。本文介绍如何初始化逐次逼近型 ADC 以实现有效转换。

　　逐次逼近型架构

　　逐次逼近型ADC由4个主要子电路构成：采样保持放大器（SHA）、模拟比较器、参考数模转换器（DAC）和逐次逼近型寄存器（SAR）。由于 SAR 控制着转换器的运行，因此，逐次逼近型转换器一般称为SAR ADC。

　　图 1 基本 SAR ADC 架构

　　在上电和初始化之后，CONVERT 上的一个信号会启动转换。开关闭合，将模拟输入连接至 SHA，后者获得输入电压。当开关断开时，比较器将确定模拟输入（此时存储于保持电容）是大于还是小于 DAC 电压。开始时，最高有效位（MSB）开启，将 DAC 输出电压设为中间电平。在比较器输出建立之后，如果 DAC 输出大于模拟输入，逐次逼近寄存器将关闭 MSB；如果输出小于模拟输入，则会使其保持开启。下一个最高有效位会重复这一过程，如果比较器确定 DAC 输出大于模拟输入，则关闭 MSB；如果输出小于模拟输入，则会使其保持开启。这个二进制搜索过程将持续下去，直到寄存器中的每一位都测试完毕为止。结果得到的 DAC 输入是采样输入电压的数字近似值，并由 ADC 在转换结束时输出。

　　与 SAR转换代码相关的因素

　　本文将讨论与有效首次转换相关的下列因素：

• 　　电源顺序（AD765x-1）
• 　　访问控制（AD7367）
• 　　RESET （AD765x-1/AD7606）
• 　　REFIN/REFOUT （AD765x-1）
• 　　模拟输入建立时间（AD7606）
• 　　模拟输入范围（AD7960）
• 　　省电/待机模式（AD760x）
• 　　延迟（AD7682/AD7689、AD7766/AD7767）
• 　　数字接口时序
• 　　电源序列

　　些采用多个电源的ADC拥有明确的上电序列。AN-932 应用笔记电源序列列为这些ADC电源的设计提供了良好的参考。应该特别注意模拟和参考输入，因为这些一般不得超过模拟电源电压0.3 V 以上。 因此， AGND – 0.3 V 《 VIN 《 VDD + 0.3 V 且 AGND – 0.3 V 《 VREF 《 VDD + 0.3V。 模拟电源应在模拟输入或基准电压之前开启，否则，模拟内核可能会以闩锁状态上电。类似地，数字输入应在 DGND − 0.3 V和VIO + 0.3 V之间。I/O电源必须在接口电路之前（或与其同时）开启，否则，这些引脚上的ESD二极管可能变成正偏，而且数字内核可能以未知状态上电。

　　电源斜坡过程中的数据访问

　　在电源稳定之前不得访问ADC，因为这样可能使其进入未知状态。在图 2 所示例子中，主机FPGA正在尝试从AD7367 读取数据，而DVCC正在斜升，结果可能使ADC进入未知状态。

　　图 2 在 DVCC 斜升过程中读取数据

　　通过复位实现 SAR ADC初始化

　　许多SAR ADC（如AD760x和AD765x-1）在上电后需要通过 RESET来实现初始化。在所有电源都稳定之后，应施加一个指定的RESET脉冲，以确保ADC以预期状态启动，同时使数字逻辑控制处于默认状态，并清除转换数据寄存器。上电时，电压开始在REFIN/REFOUT 引脚上建立，ADC进入采集模式，同时配置用户指定模式。完全上电后，AD760x应看到一个上升沿RESET将其配置为正常工作模式。RESET高脉冲宽度典型值为50nss。

　　建立基准电压

　　ADC 将模拟输入电压转换成指向基准电压的数字代码，因此，基准电压必须在首次转换前稳定下来。许多 SAR ADC 都有一个 REFIN/REFOUT 引脚和一个 REF 或 REFCAP 引脚。外部基准电压可能会通过 REFIN/REFOUT 引脚过驱内部基准电压源，或者，内部基准电压源可能会直接驱动缓冲。REFCAP 引脚上的电容会使内部缓冲输出去耦，而这正是用于转换的基准电压源。图 3 所示为 AD765x-1 数据手册中的参考电路示例。

　　图 3 AD765x-1 参考电路

　　确保 REF 或 REFCAP 上的电压在首次转换之前已建立。压摆率和建立时间因不同的储能电容而异，如图 4 所示。

　　图 4 AD7656-1 REFCAPA/B/C 引脚在不同电容下的电压斜坡

　　另外，设计不佳的参考电路可能导致严重的转换错误。参考电路问题最常见的表现是“粘连”代码，其原因可能是储能电容的尺寸和位置、驱动强度不足或者输入存在大量噪声。 精密逐次逼近型ADC的基准电压源设计 计作者：Alan Walsh （模拟对话第47卷第 2期，2013年）详细讨论了SAR ADC的基准电压源设计。

　　模拟输入建立时间

　　对于多通道、多路复用应用，驱动器放大器和 ADC 的模拟输入电路必须使内部电容阵列以 16 位水平（0.00076%）建立满量程阶跃。不幸的是，放大器数据手册一般将建立精度指定为 0.1%或 0.01%。指定的建立时间可能与 16 位精度的建立时间显著不同，因此选择驱动器之前应进行验证。

　　要特别注意多路复用应用中的建立时间。在多路复用器切换之后，要确保留出足够的时间，以便模拟输入能在转换开始之前建立至指定的精度。在配合 AD7606 使用多路复用器时，应为±10-V输入范围留出至少 80 µs的时间，为±5-V范围留出至少 88 µs，以便给选定通道足够的时间来建立至 16 位分辨率。面向精密SAR模数转换器的前端放大器和RC滤波器设计作者：Alan Walsh（模拟对话 话第 46 卷第 4 期，2012 年）为放大器的选择提供了更多细节。

　　模拟输入范围

　　确保模拟输入处于指定的输入范围之内，要特别注意指定共模电压的差分输入范围，如图 5 所示。

　　图 5 共模电压下的全差分输入

　　例如，AD7960 18位、 5 MSPS SAR ADC的差分输入范围为–VREF 至 +VREF， 但折合到地的 VIN+ 和 VIN− −都应该处于–0.1 V至 VREF + 0.1 V的范围内，且共模电压应为 VREF/2左右，如表1所示。

　　表 1 AD7960的模拟输入规格

　　使 SAR ADC退出关断或待机模式

　　为了节能，有些SAR ADC会在空闲时进入关断或待机模式。在首次转换开始前，要确保ADC退出该低功耗模式。例如， AD7606 系列即提供了两种节能模式：完全关断和待机。这些模式由GPIO引脚STBY 和RANGE进行控制。

　　根据图6所示，当STBY 和RANGE返回高电平时，AD7606从完全关断进入正常工作模式，并配置为±10-V的范围。此时， REGCAPA、REGCAPB和REGCAP引脚上电至数据手册所述的正确电压。在进入待机模式时，上电时间约为 100 μs，但在外部基准电压源模式下，这需要大约13 ms。从关断模式上电时，经过所需的上电时间后，必须施加RESET信号。数据手册将上电与RESET上升沿之间所需时间规定为 tWAKE-UP SHUTDOWN。

　　图 6 AD7606 初始化时序

　　带延迟的 SAR ADC

　　人们普遍认为，SAR ADC 没有延迟，但有些 SAR ADC 确实存在延迟以便更新配置，因此，在经过延迟时间（可能为数个转换周期）之前，第一个有效转换代码可能未定义。

　　例如，AD7985 拥有两种转换工作模式：turbo和正常。Turbo模式（支持最快的转换速率，最高可达2.5 MSPS）不会在转换间关断。turbo模式下的第一次转换含有无意义的数据，应该予以忽略。另一方面，在正常模式下，第一次转换是有意义的。

　　对于 AD7682/AD7689，上电后的前三个转换结果未定义，因为在第二个EOC之前，不会出现有效的配置。因此，需要两次伪转换，如图 7 所示。

　　图 7 AD7682/AD7689 的通用时序

　　当在硬件模式下使用 AD765x-1 时，在 BUSY 信号下降沿对 RANGE 引脚的逻辑状态进行采样，以决定下一次同步转换的模拟输入范围。在有效的 RESET 脉冲之后，AD765x-1 将默认在±4 × VREF 范围内工作，无延迟问题。然而，如果 AD765x-1 工作于±2 × VREF 范围内，则必须利用伪转换周期在 BUSY的第一个下降沿选择范围。

　　另外，有些SAR ADC（如AD7766/AD7767过采样SAR ADC）有后数字滤波器，结果会导致更多延迟。当将模拟输入多路复用至这类ADC时，主机必须等到数字滤波器完全建立后才能获得有效转换结果；经过该建立时间后，方可切换通道。

　　如表 2 所示，AD7766/AD7767 的延迟为 74 除以输出数据速率 （74/ODR）的商值。在运行于最高输出数据速率 128 kHz 时， AD7766/AD7767 支持 1.729 kHz 的多路复用器开关速率。

　　表 2 AD7766/AD7767的数字滤波器延迟

　　数字接口时序

　　最后，但同样重要的是，主机可以通过一些常见的接口选项（如并行、并行 BYTE、IIC、SPI 和菊花链模式下的 SPI）来访问 SAR ADC 的转换结果。要得到有效的转换数据，必须确保遵循数据手册中的数字接口时序规格。

　　结论

　　为了获得 SAR ADC 的第一个有效转换代码，务必遵循本文讨论的建议。可能还需要其他具体配置支持；请查看目标 SAR ADC 数据手册或者应用笔记，了解关于第一个转换周期开始之前初始化的相关内容。

　　
Steven Xie ［steven.xie@analog.com］2011年3月加入 ADI北京分公司，担任ADI中国设计中心的ADC应用工程师。他负责中国市场精密ADC产品的技术支持工作。在此之前，他曾在Ericsson CDMA团队做过四设计人员。2007 年，Steven毕业于北京航空航天大学，并获得通信与信息系统硕士学位。

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