8位高速A_D转换器TLC5510的应用

８位高速A/D转换器TLC5510的应用技术分类：模拟设计|2006-05-29来源：国外电子元器件|作者：中国科学院南海海洋研究所李彩中国科学院安徽光学精密机械研究所王安刘勇１概述ＴＬＣ５５１０是美国ＴＩ公司生产的新型模数转换器件（ＡＤＣ），它是一种采用ＣＭＯＳ工艺制造的８位高阻抗并行Ａ／Ｄ芯片，能提供的最小采样率为２０ＭＳＰＳ。由于ＴＬＣ５５１０采用了半闪速结构及ＣＭＯＳ工艺，因而大大减少了器件中比较器的数量，而且在高速转换的同时能够保持较低的功耗。在推荐工作条件下，ＴＬＣ５５１０的功耗仅为１３０ｍＷ。由于ＴＬＣ５５１０不仅具有高速的Ａ／Ｄ转换功能，而且还带有内部采样保持电路，从而大大简化了外围电路的设计；同时，由于其内部带有了标准分压电阻，因而可以从＋５Ｖ的电源获得２Ｖ满刻度的基准电压。ＴＬＣ５５１０可应用于数字ＴＶ、医学图像、视频会议、高速数据转换以及ＱＡＭ解调器等方面。２内部结构、引脚说明及工作原理２．１ＴＬＣ５５１０的引脚说明ＴＬＣ５５１０为２４引脚、ＰＳＯＰ表贴封装形式（ＮＳ）。其引脚排列如图１所示。各引脚功能如下：ＡＧＮＤ：模拟信号地；ＡＮＡＬＯＧＩＮ：模拟信号输入端；ＣＬＫ：时钟输入端；ＤＧＮＤ：数字信号地；Ｄ１～Ｄ８：数据输出端口。Ｄ１为数据最低位，Ｄ８为最高位；ＯＥ：输出使能端。当ＯＥ为低时，Ｄ１～Ｄ８数据有效，当ＯＥ为高时，Ｄ１～Ｄ８为高阻抗；ＶＤＤＡ：模拟电路工作电源；ＶＤＤＤ：数字电路工作电源；ＲＥＦＴＳ：内部参考电压引出端之一，当使用内部电压分压器产生额定的２Ｖ基准电压时，此端短路至ＲＥＦＴ端；ＲＥＦＴ：参考电压引出端之二；ＲＥＦＢ：参考电压引出端之三；ＲＥＦＢＳ：内部参考电压引出端之四，当使用内部电压基准器产生额定的２Ｖ基准电压时，此端短路至ＲＥＦＢ端。２．２ＴＬＣ５５１０的内部结构及工作过程ＴＬＣ５５１０的内部结构如图２所示。由图中可以看出：ＴＬＣ５５１０模数转换器内含时钟发生器、内部基准电压分压器、１套高４位采样比较器、编码器、锁存器、２套低４位采样比较器、编码器和１个低４位锁存器等电路。ＴＬＣ５５１０的外部时钟信号ＣＬＫ通过其内部的时钟发生器可产生３路内部时钟，以驱动３组采样比较器。基准电压分压器则可用来为这３组比较器提供基准电压。输出Ａ／Ｄ信号的高４位由高４位编码器直接提供，而低４位的采样数据则由两个低４位的编码器交替提供。ＴＬＣ５５１０的工作时序见图３。时钟信号ＣＬＫ在每一个下降沿采集模拟输入信号。第Ｎ次采集的数据经过２．５个时钟周期的延迟之后，将送到内部数据总线上。在图３所示的工作时序的控制下，当第一个时钟周期的下降沿到来时，模拟输入电压将被采样到高比较器块和低比较器块，高比较器块在第二个时钟周期的上升沿最后确定高位数据，同时，低基准电压产生与高位数据相应的电压。低比较块在第三个时钟周期的上升沿的最后确定低位数据。高位数据和低位数据在第四个时钟周期的上升沿进行组合，这样，第Ｎ次采集的数据经过２．５个时钟周期的延迟之后，便可送到内部数据总线上。此时如果输出使能ＯＥ有效，则数据便可被送至８位数据总线上。由于ＣＬＫ的最大周期为５０ｎｓ，因此，ＴＬＣ５５１０数模转换器的最小采样速率可以达到２０ＭＳＰＳ。3在线阵CCD数据系统中的应用图４为ＴＬＣ５５１０的典型外接电路。图中的ＦＢ１～ＦＢ３为高频磁珠，模拟供电电源ＡＶＤＤ经ＦＢ１～ＦＢ３为三部分模拟电路提供工作电流，以获得更好的高频去耦效果。笔者研制的该线阵ＣＣＤ数据采集系统主要由时序发生器、ＣＣＤ驱动电路、视频信号预处理电路及ＡＤＣ、数据存储器、ＰＣ机等组成。ＴＬＣ５５１０的高速、内带采样保持电路等特点使其更利于该设计。ＴＬＣ５５１０的主要作用是将ＣＣＤ输出的高速模拟视频信号转换为与其模拟幅值相对应的８位数字视频信号。图５是笔者设计的视频信号Ａ／Ｄ转换器ＴＬＣ５５１０的外围电路。ＴＬＣ５５１０可使用外部和内部两种基准电压连接方法。其中外部基准电压从引脚ＲＥＦＴ和ＲＥＦＢ接入，并应满足：ＶＲＥＦＢ＋２Ｖ≤ＶＲＥＦ≤ＶＤＤＡ０≤ＶＲＥＦＢ≤ＶＲＥＦＢ－２Ｖ２Ｖ≤ＶＲＥＦＴ－ＶＲＥＦＢ≤５Ｖ对于从零电平开始的正极性模拟输入电压，ＲＥＦＢ应当连接到模拟地ＡＧＮＤ。ＶＲＥＦＴ的范围为２Ｖ～５Ｖ。如果要简化电路，可利用ＴＬＣ５５１０的内部分压电阻从模拟电源电压ＶＤＤＡ上取得基准电压。在本设计中，ＣＣＤ输出的模拟视频信号经过反相、滤波、放大之后即为从零电平开始的正极性模拟电压信号。因此，为了简化电路并同时满足设计要求，笔者选用了ＴＬＣ５５１０的内部基准方式，同时，因为ＣＣＤ视频信号是２Ｖ基准，所以，根据ＴＬＣ５５１０的自身的特点，在设计过程中，笔者将ＲＥＦＢＳ端与ＡＧＮＤ，而将ＲＥＦＴＳ与ＶＤＤＡ端相连，同时将ＲＥＦＢＳ短接至ＲＥＦＢ端，ＲＥＦＴＳ短接至ＲＥＦＴ端来获得２Ｖ基准电压。在用该数据采集系统采集数据的过程中，当ＣＣＤ输出端输出视频信号时，在由时序发生器产生的Ａ／Ｄ转换控制时钟ＣＬＫ的同步控制下，ＴＬＣ５５１０会将差动放大、低通滤波后的ＣＣＤ模拟视频信号实时地转换为与其模拟幅值相对应的８位数字信号，当ＴＬＣ５５１０的输出使能ＯＥ为低电平且高速数据存储器的地址译码控制和写控制均有效时，系统可将转换结果存入高速数据存储器，以等待ＰＣ机的读取。为了使ＣＣＤ输出的视频信号能够正确可靠的转换和存储，在设计过程中，笔者对ＴＬＣ５５１０的工作控制时钟ＣＬＫ、输出使能ＯＥ及高速数据存储器的地址译码控制时钟、读写控制时钟的周期做了具体的时间预算，并对它们之间的逻辑相位关系做了详细的研究。根据预算，笔者将时序发生器内部的计数器、比较器、逻辑门以及Ｄ触发器等进行逐级分频和逻辑组合，从而使其产生正确可靠的时序逻辑。系统及数据分析实验证明，采用ＴＬＣ５５１０作为线阵ＣＣＤ视频信号的Ａ／Ｄ转换芯片，其接口电路简单实用，使用方便，稳定性好。４结束语在对ＴＬＣ５５１０模数转换器及其在线阵ＣＣＤ数据采集系统的应用设计中，笔者通过实验总结出如下经验：（１）为了减少系统噪声，外部模拟和数字电路应当分离，并应尽可能屏蔽。（２）因为ＴＬＣ５５１０芯片的ＡＧＮＤ和ＤＧＮＤ在内部没有连接，所以，这些引脚需要在外部进行连接。为了使拾取到的噪声最小，最好把隔开的双绞线电缆用于电源线。同时，在印制电路板布局上还应当使用模拟和数字地平面。（３）ＶＤＤＡ至ＡＧＮＤ和ＶＤＤＤ至ＤＧＮＤ之间应当分别用１μＦ电容去耦，推荐使用陶瓷电容器。对于模拟和数字地，为了保证无固态噪声的接地连接，试验时应当小心。（４）ＶＤＤＡ、ＡＧＮＤ以及ＡＮＡＬＯＧＩＮ引脚应当与高频引脚ＣＬＫ和Ｄ０～Ｄ７隔离开。在印制电路板上，ＡＧＮＤ的走线应当尽可能地放在ＡＮＡＬＯＧＩＮ走线的两侧以供屏蔽之用。（５）为了保证ＴＬＣ５５１０的工作性能，系统电源最好不要采用开关电源。