最高18位分辨率、10 MSPS 採樣速率的逐次逼近型模數轉換器（ADC）可以滿足許多數據採集應用的需求，包括便攜式、工業、醫療和通信應用。本文介紹如何初始化逐次逼近型 ADC 以實現有效轉換。
逐次逼近型架構
逐次逼近型ADC由4個主要子電路構成：採樣保持放大器（SHA）、模擬比較器、參考數模轉換器（DAC）和逐次逼近型寄存器（SAR）。由於 SAR 控制着轉換器的運行，因此，逐次逼近型轉換器一般稱爲SAR ADC。
圖 1 基本 SAR ADC 架構
在上電和初始化之後，CONVERT 上的一個信號會啓動轉換。開關閉合，將模擬輸入連接至 SHA，後者獲得輸入電壓。當開關斷開時，比較器將確定模擬輸入（此時存儲於保持電容）是大於還是小於 DAC 電壓。開始時，最高有效位（MSB）開啓，將 DAC 輸出電壓設爲中間電平。在比較器輸出建立之後，如果 DAC 輸出大於模擬輸入，逐次逼近寄存器將關閉 MSB；如果輸出小於模擬輸入，則會使其保持開啓。下一個最高有效位會重複這一過程，如果比較器確定 DAC 輸出大於模擬輸入，則關閉 MSB；如果輸出小於模擬輸入，則會使其保持開啓。這個二進制搜索過程將持續下去，直到寄存器中的每一位都測試完畢爲止。結果得到的 DAC 輸入是採樣輸入電壓的數字近似值，並由 ADC 在轉換結束時輸出。
與 SAR轉換代碼相關的因素
本文將討論與有效首次轉換相關的下列因素：
- 電源順序（AD765x-1）
- 訪問控制（AD7367）
- RESET （AD765x-1/AD7606）
- REFIN/REFOUT （AD765x-1）
- 模擬輸入建立時間（AD7606）
- 模擬輸入範圍（AD7960）
- 省電/待機模式（AD760x）
- 延遲（AD7682/AD7689、AD7766/AD7767）
- 數字接口時序
- 電源序列
些採用多個電源的ADC擁有明確的上電序列。AN-932 應用筆記電源序列列爲這些ADC電源的設計提供了良好的參考。應該特別注意模擬和參考輸入，因爲這些一般不得超過模擬電源電壓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。 模擬電源應在模擬輸入或基準電壓之前開啓，否則，模擬內核可能會以閂鎖狀態上電。類似地，數字輸入應在 DGND − 0.3 V和VIO + 0.3 V之間。I/O電源必須在接口電路之前（或與其同時）開啓，否則，這些引腳上的ESD二極管可能變成正偏，而且數字內核可能以未知狀態上電。
電源斜坡過程中的數據訪問
在電源穩定之前不得訪問ADC，因爲這樣可能使其進入未知狀態。在圖 2 所示例子中，主機FPGA正在嘗試從AD7367 讀取數據，而DVCC正在斜升，結果可能使ADC進入未知狀態。
圖 2 在 DVCC 斜升過程中讀取數據
通過復位實現 SAR ADC初始化
許多SAR ADC（如AD760x和AD765x-1）在上電後需要通過 RESET來實現初始化。在所有電源都穩定之後，應施加一個指定的RESET脈衝，以確保ADC以預期狀態啓動，同時使數字邏輯控制處於默認狀態，並清除轉換數據寄存器。上電時，電壓開始在REFIN/REFOUT 引腳上建立，ADC進入採集模式，同時配置用戶指定模式。完全上電後，AD760x應看到一個上升沿RESET將其配置爲正常工作模式。RESET高脈衝寬度典型值爲50nss。
建立基準電壓
ADC 將模擬輸入電壓轉換成指向基準電壓的數字代碼，因此，基準電壓必須在首次轉換前穩定下來。許多 SAR ADC 都有一個 REFIN/REFOUT 引腳和一個 REF 或 REFCAP 引腳。外部基準電壓可能會通過 REFIN/REFOUT 引腳過驅內部基準電壓源，或者，內部基準電壓源可能會直接驅動緩衝。REFCAP 引腳上的電容會使內部緩衝輸出去耦，而這正是用於轉換的基準電壓源。圖 3 所示爲 AD765x-1 數據手冊中的參考電路示例。
圖 3 AD765x-1 參考電路
確保 REF 或 REFCAP 上的電壓在首次轉換之前已建立。壓擺率和建立時間因不同的儲能電容而異，如圖 4 所示。
圖 4 AD7656-1 REFCAPA/B/C 引腳在不同電容下的電壓斜坡
另外，設計不佳的參考電路可能導致嚴重的轉換錯誤。參考電路問題最常見的表現是“粘連”代碼，其原因可能是儲能電容的尺寸和位置、驅動強度不足或者輸入存在大量噪聲。 精密逐次逼近型ADC的基準電壓源設計 計作者：Alan Walsh （模擬對話第47卷第 2期，2013年）詳細討論了SAR ADC的基準電壓源設計。
模擬輸入建立時間
對於多通道、多路複用應用，驅動器放大器和 ADC 的模擬輸入電路必須使內部電容陣列以 16 位水平（0.00076%）建立滿量程階躍。不幸的是，放大器數據手冊一般將建立精度指定爲 0.1%或 0.01%。指定的建立時間可能與 16 位精度的建立時間顯著不同，因此選擇驅動器之前應進行驗證。
要特別注意多路複用應用中的建立時間。在多路複用器切換之後，要確保留出足夠的時間，以便模擬輸入能在轉換開始之前建立至指定的精度。在配合 AD7606 使用多路複用器時，應爲±10-V輸入範圍留出至少 80 µs的時間，爲±5-V範圍留出至少 88 µs，以便給選定通道足夠的時間來建立至 16 位分辨率。面向精密SAR模數轉換器的前端放大器和RC濾波器設計作者：Alan Walsh（模擬對話 話第 46 卷第 4 期，2012 年）爲放大器的選擇提供了更多細節。
模擬輸入範圍
確保模擬輸入處於指定的輸入範圍之內，要特別注意指定共模電壓的差分輸入範圍，如圖 5 所示。
圖 5 共模電壓下的全差分輸入
例如，AD7960 18位、 5 MSPS SAR ADC的差分輸入範圍爲–VREF 至 +VREF， 但摺合到地的 VIN+ 和 VIN− −都應該處於–0.1 V至 VREF + 0.1 V的範圍內，且共模電壓應爲 VREF/2左右，如表1所示。
表 1 AD7960的模擬輸入規格
使 SAR ADC退出關斷或待機模式
爲了節能，有些SAR ADC會在空閒時進入關斷或待機模式。在首次轉換開始前，要確保ADC退出該低功耗模式。例如， AD7606 系列即提供了兩種節能模式：完全關斷和待機。這些模式由GPIO引腳STBY 和RANGE進行控制。
根據圖6所示，當STBY 和RANGE返回高電平時，AD7606從完全關斷進入正常工作模式，並配置爲±10-V的範圍。此時， REGCAPA、REGCAPB和REGCAP引腳上電至數據手冊所述的正確電壓。在進入待機模式時，上電時間約爲 100 μs，但在外部基準電壓源模式下，這需要大約13 ms。從關斷模式上電時，經過所需的上電時間後，必須施加RESET信號。數據手冊將上電與RESET上升沿之間所需時間規定爲 tWAKE-UP SHUTDOWN。
圖 6 AD7606 初始化時序
帶延遲的 SAR ADC
人們普遍認爲，SAR ADC 沒有延遲，但有些 SAR ADC 確實存在延遲以便更新配置，因此，在經過延遲時間（可能爲數個轉換週期）之前，第一個有效轉換代碼可能未定義。
例如，AD7985 擁有兩種轉換工作模式：turbo和正常。Turbo模式（支持最快的轉換速率，最高可達2.5 MSPS）不會在轉換間關斷。turbo模式下的第一次轉換含有無意義的數據，應該予以忽略。另一方面，在正常模式下，第一次轉換是有意義的。
對於 AD7682/AD7689，上電後的前三個轉換結果未定義，因爲在第二個EOC之前，不會出現有效的配置。因此，需要兩次僞轉換，如圖 7 所示。
圖 7 AD7682/AD7689 的通用時序
當在硬件模式下使用 AD765x-1 時，在 BUSY 信號下降沿對 RANGE 引腳的邏輯狀態進行採樣，以決定下一次同步轉換的模擬輸入範圍。在有效的 RESET 脈衝之後，AD765x-1 將默認在±4 × VREF 範圍內工作，無延遲問題。然而，如果 AD765x-1 工作於±2 × VREF 範圍內，則必須利用僞轉換週期在 BUSY的第一個下降沿選擇範圍。
另外，有些SAR ADC（如AD7766/AD7767過採樣SAR ADC）有後數字濾波器，結果會導致更多延遲。當將模擬輸入多路複用至這類ADC時，主機必須等到數字濾波器完全建立後才能獲得有效轉換結果；經過該建立時間後，方可切換通道。
如表 2 所示，AD7766/AD7767 的延遲爲 74 除以輸出數據速率 （74/ODR）的商值。在運行於最高輸出數據速率 128 kHz 時， AD7766/AD7767 支持 1.729 kHz 的多路複用器開關速率。
表 2 AD7766/AD7767的數字濾波器延遲
數字接口時序
最後，但同樣重要的是，主機可以通過一些常見的接口選項（如並行、並行 BYTE、IIC、SPI 和菊花鏈模式下的 SPI）來訪問 SAR ADC 的轉換結果。要得到有效的轉換數據，必須確保遵循數據手冊中的數字接口時序規格。
結論
爲了獲得 SAR ADC 的第一個有效轉換代碼，務必遵循本文討論的建議。可能還需要其他具體配置支持；請查看目標 SAR ADC 數據手冊或者應用筆記，瞭解關於第一個轉換週期開始之前初始化的相關內容。
參考文獻
Kester， Walt. Data Converter Support Circuits. Chapter 7， Data Conversion Handbook.
Kester， Walt. “Which ADC Architecture Is Right for Your Application？” Analog Dialogue， Volume 39， Number 2， 2005.
Walsh， Alan. “Front-End Amplifier and RC Filter Design for a Precision SAR Analog-to-Digital Converter.” Analog Dialogue， Volume 46， Number 4， 2012.