高速ADC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)思路解析

ADC/DAC（Analog to Digital Converter/ Digital to Analog Converter，即模數(shù)轉(zhuǎn)換器/數(shù)模轉(zhuǎn)換器）是大多數(shù)系統(tǒng)中必不可少的組成部件，用于將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號(hào)，或者將離散的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成連續(xù)的模擬信號(hào)，它們是連接模電電路和數(shù)字電路必不可少的橋梁。在很多場(chǎng)合下，ADC/DAC 的轉(zhuǎn)換速度甚至直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

本篇博文為各位分享一種高速ADC和DAC轉(zhuǎn)換電路。高速ADC選用芯片為：AD9280/3PA9280（兩款芯片兼容），高速DAC選用芯片為：AD9708/3PD9708E（兩款芯片兼容）。

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高速ADC轉(zhuǎn)換電路

AD9280 是 ADI 公司生產(chǎn)的一款單芯片、8 位、32MSPS（Million Samples Per Second，每秒采樣百萬(wàn)次）模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有高性能、低功耗的特點(diǎn)。

AD9280 的內(nèi)部功能框圖如下圖所示：

AD9280 在時(shí)鐘（CLK）的驅(qū)動(dòng)下工作，用于控制所有內(nèi)部轉(zhuǎn)換的周期；AD9280 內(nèi)置片內(nèi)采樣保持放大器（SHA），同時(shí)采用多級(jí)差分流水線架構(gòu)，保證了 32MSPS 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率下全溫度范圍內(nèi)無(wú)失碼；AD9280 內(nèi)部集成了可編程的基準(zhǔn)源，根據(jù)系統(tǒng)需要也可以選擇外部高精度基準(zhǔn)滿足系統(tǒng)的要求。

AD9280 輸出的數(shù)據(jù)以二進(jìn)制格式表示，當(dāng)輸入的模擬電壓超出量程時(shí)，會(huì)拉高 OTR（out-of-range）信號(hào)；當(dāng)輸入的模擬電壓在量程范圍內(nèi)時(shí)，OTR 信號(hào)為低電平，因此可以通過(guò) OTR 信號(hào)來(lái)判斷輸入的模擬電壓是否在測(cè)量范圍內(nèi)。

AD9280 的時(shí)序圖如下圖所示：

模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并不是當(dāng)前周期就能轉(zhuǎn)換完成，從采集模擬信號(hào)開(kāi)始到輸出數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò) 3 個(gè)時(shí)鐘周期。比如上圖中在時(shí)鐘 CLK 的上升沿沿采集的模擬電壓信號(hào) S1，經(jīng)過(guò) 3 個(gè)時(shí)鐘周期后（實(shí)際上再加上 25ns 的時(shí)間延時(shí)），輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù) DATA1。需要注意的是，AD9280 芯片的最大轉(zhuǎn)換速度是32MSPS，即輸入的時(shí)鐘最大頻率為 32MHz。

AD9280 支持輸入的模擬電壓范圍是 0V 至 2V，0V 對(duì)應(yīng)輸出的數(shù)字信號(hào)為 0，2V 對(duì)應(yīng)輸出的數(shù)字信號(hào)為 255。而 AD9708 經(jīng)外部電路后，輸出的電壓范圍是-5V~+5V，因此在 AD9280 的模擬輸入端增加電壓衰減電路，使-5V~+5V 之間的電壓轉(zhuǎn)換成 0V 至 2V 之間。那么實(shí)際上對(duì)我們用戶使用來(lái)說(shuō)，當(dāng) AD9280 的模擬輸入接口連接-5V 電壓時(shí)，AD 輸出的數(shù)據(jù)為 0；當(dāng) AD9280 的模擬輸入接口連接+5V 電壓時(shí)，AD 輸出的數(shù)據(jù)為 255。

當(dāng) AD9280 模擬輸入端接-5V 至+5V 之間變化的正弦波電壓信號(hào)時(shí)，其轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)也是成正弦波波形變化，轉(zhuǎn)換波形如下圖所示：

輸入的模擬電壓范圍在-5V 至 5V 之間，按照正弦波波形變化，最終得到的數(shù)據(jù)也是按照正弦波波形變化。

高速ADC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)思路如下所示：

高速ADC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)如下所示：

圖中輸入的模擬信號(hào) SMA_IN（VI）經(jīng)過(guò)衰減電路后得到 AD_IN2（VO）信號(hào)，兩個(gè)模擬電壓信號(hào)之間的關(guān)系是 VO=VI/5+1，即當(dāng) VI=5V 時(shí)，VO=2V；VI=-5V 時(shí)，VO=0V。

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高速DAC轉(zhuǎn)換電路

AD9708 是 ADI 公司（Analog Devices，Inc.，亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)有限公司）生產(chǎn)的 TxDAC 系列數(shù)模轉(zhuǎn)換器，具有高性能、低功耗的特點(diǎn)。AD9708 的數(shù)模轉(zhuǎn)換位數(shù)為 8 位，最大轉(zhuǎn)換速度為 125MSPS（每秒采樣百萬(wàn)次 Million Samples per Second）。

AD9708 的內(nèi)部功能框圖如下圖所示：

AD9708 在時(shí)鐘（CLOCK）的驅(qū)動(dòng)下工作，內(nèi)部集成了+1.2V 參考電壓(+1.20V REF)、運(yùn)算放大器、電流源（CURRENT SOURCE ARRAY）和鎖存器（LATCHES）。兩個(gè)電流輸出端 IOUTA 和 IOUTB 為一對(duì)差分電流，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為 0（DB7~DB0）時(shí)，IOUTA 的輸出電流為 0，而 IOUTB 的輸出電流達(dá)到最大，最大值的大小跟參考電壓有關(guān)；當(dāng)輸入數(shù)據(jù)全為高點(diǎn)平（DB7~DB0=8’hff）時(shí)，IOUTA 的輸出電流達(dá)到最大，最大值的大小跟參考電壓有關(guān)，而 IOUTB 的輸出電流為 0。AD9708 必須在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下才能把數(shù)據(jù)寫入片內(nèi)的鎖存器中，其觸發(fā)方式為上升沿觸發(fā)，AD9708 的時(shí)序圖如下圖所示：

上圖中的 DBO-DB7 和 CLOCK 是 AD9708 的 8 位輸入數(shù)據(jù)和為輸入時(shí)鐘，IOUTA 和 IOUTB 為AD9708 輸出的電流信號(hào)。由上圖可知，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的上升沿鎖存，因此我們可以在時(shí)鐘的下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)。需要注意的是，CLOCK 的時(shí)鐘頻率越快，AD9708 的數(shù)模轉(zhuǎn)換速度越快，AD9708 的時(shí)鐘頻率最快為125Mhz。

IOUTA 和 IOUTB 為 AD9708 輸出的一對(duì)差分電流信號(hào)，通過(guò)外部電路低通濾波器與運(yùn)放電路輸出模擬電壓信號(hào)，電壓范圍是-5V 至+5V 之間。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)等于 0 時(shí)，AD9708 輸出的電壓值為 5V；當(dāng)輸入數(shù)據(jù)等于 255時(shí)，AD9708 輸出的電壓值為-5V。

AD9708 是一款數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)模擬信號(hào)的器件，內(nèi)部沒(méi)有集成 DDS（Direct Digital Synthesizer，直接數(shù)字 式頻率合成器）的功能，但是可以通過(guò)控制 AD9708 的輸入數(shù)據(jù)，使其模擬 DDS 的功能。例如，我們使用AD9708 輸出一個(gè)正弦波模擬電壓信號(hào)，那么我們只需要將 AD9708 的輸入數(shù)據(jù)按照正弦波的波形變化即可，下圖為 AD9708 的輸入數(shù)據(jù)和輸出電壓值按照正弦波變化的波形圖。

由上圖可知，數(shù)據(jù)在 0 至 255 之間按照正弦波的波形變化，最終得到的電壓也會(huì)按照正弦波波形變化，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)重復(fù)按照正弦波的波形數(shù)據(jù)變化時(shí)，那么 AD9708 就可以持續(xù)不斷的輸出正弦波的模擬電壓波形。需要注意的是，最終得到的 AD9708 的輸出電壓變化范圍由其外部電路決定的，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為 0 時(shí)，AD9708 輸出+5V 的電壓；當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為 255 時(shí)，AD9708 輸出-5V 的電壓。

由此可以看出，只要輸入的數(shù)據(jù)控制的得當(dāng)，AD9708 可以輸出任意波形的模擬電壓信號(hào)，包括正弦波、方波、鋸齒波、三角波等波形。

高速DAC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)思路如下所示：

高速DAC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)如下所示：

圖中輸出的一對(duì)差分電流信號(hào)先經(jīng)過(guò)濾波器，再經(jīng)過(guò)運(yùn)放電路得到一個(gè)單端的模擬電壓信號(hào)。圖中右側(cè)的 W1 為滑動(dòng)變阻器，可以調(diào)節(jié)輸出的電壓范圍，推薦通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使輸出的電壓范圍在-5V 至+5V 之間，從而達(dá)到 AD 轉(zhuǎn)換芯片的最大轉(zhuǎn)換范圍。

編輯：黃飛

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