ADuC7026提供可编程电压,用于评估多电源系统

简介

高压开关、双极性ADC以及其它具有多个电源的器件通常要求以特定序列施加或移除电源电压。本文提出一种简单且经济高效的方法,用于确定系统在受电源瞬变、中断或序列变化影响下的行为。AD7656-1(表1)就是一个使用多个电源的器件例子,该器件是一款16位、250 kSPS、6通道、同步采样、双极性输入ADC。ADuC7026精密模拟微控制器的四个12位DAC提供DUT的可编程电源电压。利用AD7656-1评估板 ADuC7026评估板 ,可借助最少的硬件和软件开发工作来完成原型制作。

表1. AD7656-1典型电源电压和最大电源电流

电源 AVCC, DVCC VDRIVE VDD VSS 
电压 (V) 5 3.3
10 –10
电流(mA) 30 10 0.25 0.25

表1所示为该ADC每个电源的典型电压和最大电流。ADuC7026上四个DAC产生的可编程序列可控电压波形由AD7656-1评估板上的超低噪声和失真AD797 运算放大器来进行调整,以提供额定电源电压和电流。微控制器的速度和可编程性有助于控制电源电压的电压水平、周期、脉冲宽度和斜坡时间。

例如,使用外部电源时,AD7656-1评估板(增益配置为5)上的AD797放大器可以产生0 V至12.5 V范围内的电压,以驱动ADC的s VDD 供电轨。AD797的高输出驱动能力允许向各供电轨提供高达50 mA的电流。图1给出了该ADC的连接图。

Figure 1
图1. AD7656-1连接图

ADuC7026的DAC数据寄存器可以采用41.78 MHz内核时钟来以7 MHz的速率进行更新,从而使电压更新速率达到最大。下文介绍开发过程并提供利用评估板获得的测量结果。

硬件开发和设置

硬件连接和测试设置如图2所示。ADuC7026评估板上的四个DAC输出引脚和AGND分别连接到AD7656-1评估板上的四个AD797输入端和AGND。Agilent E3631A外部电源模块为AD797提供±15 V电源。通过USB连接到ADuC7026评估板的电脑则提供5 V电源和串行通信。

Figure 2
图2. 硬件连接和测试基准

原理图设计

AD7656-1评估板上唯一需要进行的硬件更改与AD797有关。可以针对不同的增益和带宽要求来选择R1和R2。图3显示的是AD797配置为采用大小为4的增益,来从ADuC7026 DAC的0 V至2.5 V提供0 V至10 V输出。R3和C1构成一个低通滤波器,以降低高频噪声。CL用作供电轨上的负载电容。

Figure 3
图3. 增益为4的AD797原理图设计

图4显示的是从NI Multisim仿真工具得到增益为4时AD797的频率响应。1.0 MHz带宽和73°相位裕量可提供快速瞬态响应和稳定操作。

Figure 4
图4. 增益为4时AD797的频率响应

AD797设计笔记

AD797是一款超低失真、超低噪声运算放大器,采用±15 V电源供电时具有80 µV最大失调电压、出色的直流精度、800 ns的16位建立时间、50 mA输出电流以及±13 V输出摆幅等特性,非常适合驱动供电轨。

该器件的容性负载相当大,但未针对这点进行内部补偿,因此必须采用外部补偿技术来优化该应用。图5显示的是驱动容性负载而导致AD797输出上出现的振荡。

Figure 5
图5. 未进行补偿时的振荡情况

为稳定驱动供电轨上的容性负载,应在输出端和负载之间放置电阻R4。该电阻将运算放大器输出和反馈网络与容性负载隔离开来,可在反馈网络的传递函数内引入一个零点,从而降低高频条件下的相移。1 反馈电容C2补偿运算放大器输入端的容性负载,包括C1。

应用DAC

ADuC7026精密模拟微控制器配有四个12位电压输出DAC,这些DAC具有轨到轨输出缓冲器、三种可选范围和10 µs建立时间等特性。

每个DAC有三种可选范围:0 V至VREF(内部带隙2.5 V基准电压源)、0 V至DACREF (0 V至 AVDD), 和 0 V to AVDD。范围由控制寄存器DACxCON进行设置。DAC可以采用 0 V to AVDD范围的外部基准电压源。采用内部基准电压源时,VREF引脚与AGND之间必须接上一个0.47 µF电容,以确保稳定性。

四个DAC每个都可通过控制寄存器DACxCON和数据寄存器DACxDAT独立配置。通过DACxCON寄存器配置DAC后,可向DACxDAT中写入数据来获取所需的输出电压电平。

四个DAC输出可以轻松采用C语言或汇编语言进行控制。下列C语言代码示例显示如何选取内部2.5 V基准电压源并将DAC0输出设置为2.5 V。

//connect internal 2.5 V reference to VREF pin

REFCON = 0x01;

//enable DAC0 operation

DAC0CON = 0x12;

//update DAC0DAT register with data 0xFFF

DAC0DAT = 0x0FFF0000;

采用汇编语言时:

DAC0CON[5] is cleared to update DAC0 using core clock (41.78 MHz) for fast update rate;

DAC0CON[1:0] is set to '10' to use 0 V to VREF (2.5 V) output range

'DAC0DAT = 0x0FFF0000' can be compiled to assembly code with two instructions:

MOV   R0, #0x0FFF0000

STR    R0, [R1, #0x0604]

这两条指令总共需要六个时钟周期来执行,当内核时钟频率为41.78 MHz时对应的更新速率为7 MHz。因此,供电轨之间的时间延迟可以精确到144 ns。

测量结果

ADuC7026中的四个DAC为AD7656-1提供四个电源,以测试其在电源瞬态或序列变化下的行为。表2给出了ADC的电源和电压电平。

表2. AD7656-1的电源

DAC 通道 DAC0
DAC1
DAC2
DAC3
输出范围 0 V 至 1.250 V 0 V 至 0.825 V 0 V 至 2.500 V  0 V 至 2.500 V
AD797 增益 4 4 5 –5
AD797 输出摆幅 0 V 至 5.00 V 0 V 至 3.30 V 5.00 V 至 12.50 V –12.50 V 至
–5.00 V
标称电压 5.00 V 3.30 V 10.00 V –10.00 V
AD7656-1电源  AVCC, DVCC  VDRIVE  VDD  VSS

四个DAC输出(如表2中所述)的波形是采用示波器获得的,具体如图6所示。各通道的电压电平、周期、脉冲宽度和斜坡时间均可通过编程设置,控制非常方便。下文将测量并介绍具体参数。

Figure 6
图6. 四通道电压波形

要使各个电源实现精确的电压电平,可使用可调电阻作为图3中的R1。电压电平通过利用Agilent 34401A数字万用表调整R1来校准。

要确定电压波形的最大频率,应测量上升和下降斜坡时间。斜坡时间与电阻R4和容性负载CL的值有关。针对较慢的斜坡时间,可以为R4和CL选用较大的电阻和电容值。此处测试了不同负载电容条件下AVCC 和 DVCC 的上升和下降斜坡时间,具体结果如表3所示。采用1 µF电容时的上升波形如图7所示。斜坡时间在10 V的10%和90%之间测得。

表3. 容性负载条件下的斜坡时间

容性负载 10 nF (V/µs) 0.1 µF (V/µs) 1 µF (V/µs) 10 µF (V/µs)
上升沿 6.90 0.97 0.07 0.01
下降沿 5.71 0.93 0.06 0.01
Figure 7
图7. 1 µF容性负载条件下的上升时间

电源纹波

AD797具有出色的直流精度,可通过调整反馈电阻R1轻松地为AD7656-1提供精确的标准电压电平。电源的峰峰值纹波是在标称电压电平、200 MHz及20 MHz带宽和0.1 µF容性负载条件下利用DS1204B示波器测得的。表4显示纹波小于标称电压的1%,因此四个电源均符合要求。

表4. 各电源的纹波

电源 AVCC, DVCC (5.00 V) VDRIVE (3.30 V) VDD (10.00 V) VSS (–10.00 V)
200 MHz (mV) 20.8 28.0 25.6 30.4
20 MHz (mV) 12.8 24.8 15.2 18.4
Figure 8
图8. AVCC 和DVCC上5 V电源的纹波

生成波形

对ADuC7026源代码进行简单修改后,便可以针对要求评估不同电源条件下器件工作状况的不同应用生成多种不同序列的电压波形。生成的典型波形如图9和图10所示。

Figure 9
图9. 22.32 kHz方波波形
Figure 10
图10. 13.16 kHz脉冲波形

图11所示的LabVIEW® GUI可用于生成电源波形。可以轻松配置四个通道的电压电平、斜坡时间、周期和序列延迟时间。GUI和ADuC7026之间利用串行端口进行通信。

Figure 11
图11. 电源配置GUI

结论

此处利用AD7656-1和ADuC7026评估板开发并验证了一种简单而经济高效的方式来评估电源时序控制影响。ADuC7026评估板为四个电源产生可控可编程时序,以评估不同电源时序/斜坡条件下ADC的工作情况。微控制器中的三相16位PWM发生器可以提供总共七个电压通道。

采用标准±15 V直流电源模块时,此便携式电源评估系统允许设计人员评估ADC,尤其是那些具有较多电源的ADC。

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致谢

Aude Richard(ADuC应用工程师)为本文撰写提供了很好的建议和帮助,在此表示衷心感谢。

1Bendaoud, Soufiane 和 Giampaolo Marino, 避免因容性负载而出现不稳定的实用技术(应用工程师问答—32)模拟对话第38卷第2期 (2004)。

作者

Steven Xie

Steven Xie

Steven Xie 于2011 年加入ADI 北京分公司,是中国设计中心的一名ADC 应用工程师。他负责中国市场SAR ADC 产品的技术支持工作。在此之前,他曾在Ericsson CDMA 团队做过四年的硬件设计人员。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。

Karl Wei

Karl Wei

Karl Wei 于2000年加入ADI公司,任微转换器部产品工程师。Karl目前是精密ADC部应用工程师。加入ADI公司之前,Karl曾在北京集成电路设计中心和BIEC担任测试工程师和营销职位。他拥有哈尔滨工业大学的半导体和微电子硕士学位。

Claire Croke

Claire Croke

Claire Croke 于1999年加入ADI公司,任职于爱尔兰利默里克的精密转换器应用部门,负责为精密ADC提供应用支持。她毕业于爱尔兰利默里克大学,获电子工程学士学位。