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 和 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

 
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。
 
 

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。
 
 

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。
 
 

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。
 
 

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。
 
 

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
 

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。
 
 

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



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

 

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。
 
 

图 9. 22.32 kHz 方波波形
 
 

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。
 

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。