12位高速ADC存储电路设计与实现
关键词：高速ADC 高速数据采集 AD9225
1 AD9225的结构
AD9225是ADI公司生产的单片、单电源供电、12位精度、25Msps高速模数转换器，片内集成高性能的采样保持放大器和参考电压源。AD9225采用带有误差校正逻辑的四级差分流水结构，以保证在25Msps采样率下获得精确的12位数据。除了最后一级，每一级都有一个低分辨率的闪速A/D与一个残差放大器（MDAC）相连。此放大器用来放大重建DAC的输出和下一级闪速A/D的输入差，每一级的最后一位作为冗余位，以校验数字误差，其结构如图1所示。
图1 AD9225结构图
2 AD9225的输入和输出
（1）时钟输入
AD9225采用单一的时钟信号来控制内部所有的转换，A/D采样是在时钟的上升沿完成。在25Msps的转换速率下，采样时钟的占空比应保持在45％~55％之间；随着转换速率的降低，占空比也可以随之降低。在低电平期间，输入SHA处于采样状态；高电平期间，输入SHA处于保持状态。图2为其时序图。图2中：
tch——高电平持续时间，最小值为18 ns；
tcl——低电平持续时间，最小值为18 ns；
tod——数据延迟时间，最小值为13 ns。
从时序图可以看出：转换器每个时钟周期（上升沿）捕获一个采样值，三个周期以后才可以输出转换结果。这是由于AD9225采用的四级流水结构，虽然可以获得较高的分辨率,但却是以牺牲流水延迟为代价的。
（2）模拟输入AD9225的模拟输入引脚是VINA、VINB，其绝对输入电压范围由电源电压决定：
其中， AVSS正常情况下为0 V，AVDD正常情况下为+5 V。
AD9225有高度灵活的输入结构，可以方便地和单端或差分输入信号进行连接。采用单端输入时，VINA可通过直流或交流方式与输入信号耦合，VINB要偏置到合适的电压；采用差分输入时，VINA和VINB要由输入信号同时驱动。
（3） 数字输出
AD9225 采用直接二进制码输出12位的转换数据，并有一位溢出指示位（OTR），连同最高有效位可以用来确定数据是否溢出。图3为溢出和正常状态的逻辑判断图。
3 AD9225参考电压和量程的选用
参考电压VREF决定了AD9225的量程，即
满刻度量程= 2×VREF
VREF的值由SENSE引脚确定。如果SENSE与AVSS 相连，VREF是2.0 V，量程是0~4 V；如果SENSE与VREF直接相连， VREF是1.0 V，量程是0~2 V；如果SENSE与VREF通过电阻网络相连，则VREF可以是1.0~2.0 V之间的任意值，量程是0~2VREF；如果SENSE与AVDD 相连，表示禁用内部参考源，即VREF由外部参考电压源驱动。内部电路用到的参考电压是出现在CAPT和CAPB端。表1是参考电压和输入量程的总结。
表1 参考电压和输入量程
| 参考电压模式 | 输入量程 | 参考电压/V | 连接端（起点） | 连接端（终点） |
| 内部电压 内部电压 内部电压 |
2 4 2≤量程≤4且量程=2×VREF |
1 2 1≤VREF≤2且VREF=(1+R1/R2) |
SENSE SENSE R1 R2 |
VREF REFCOM VREF和SENSE SENSE和REFCOM |
| 外部电压（非动态） | 2≤量程≤4 | 1≤VREF≤2 | SENSE VREF |
AVDD EXT.REF（外部REF） |
| 外部电压（动态） | 2≤量程≤4 | 外部驱动的CAPB、CAPT决定 | SENSE VREF EXT.REF EXT.REF |
AVDD AVSS CAPT CAPB |
4 AD9225的存储方案设计
在高速数据采集电路的实现中，有两个关键的问题：一是模拟信号的高速转换；二是变换后数据的存储及提取。AD9225的采样速度可达25Msps，完全可以满足大多数数据采集系统的要求，故首要解决的关键问题是与存储器的配合问题。 在数据采集电路中, 有以下几种存储方案可供选择。
（1）分时存储方案
分时存储方案的原理是将高速采集到的数据进行分时处理, 通过高速锁存器按时序地分配给Ｎ个存储器。虽然电路中增加了SRAM的片数，但使存储深度增加，用低价格的SRAM构成高速数据存储电路，获得较高的（单位速度×单位存储深度）/价格比。但由于电路单数据口的特点，不利于数据的实时处理，并且为使数据被锁存后留有足够的时间让存储器完成数据的存储，需要产生特殊的写信号线。
（2）双端口存储方案
双端口存储器的特点是，在同一个芯片里，同一个存储单元具有相同的两套寻址机构和输入输出机构，可以通过两个端口对芯片中的任何一个地址作非同步的读和写操作，读写时间最快达到十几ns。当两个端口同时(5 ns以内 )对芯片中同一个存储单元寻址时, 芯片中有一个协调电路将参与协调。双端口存储器方案适用于小存储深度、数据实时处理的场合。由于双端口存储器本身具备了两套寻址系统，在电路的设计时，可以免去在数据存储和读取时对地址时钟信号的切换问题的考虑，使数据变得简单和快捷。
（3）先进先出存储方案
先进先出存储器的同一个存储单元配备有两个口：一个是输入口，只负责数据的写入；另一个是输出口，只负责数据的输出。先进先出（FIFO）存储器方案适用于小存储深度，数据需实时处理的场合。
对用户而言，存储器的存储速度和存储容量是一对矛盾体：双口RAM和FIFO可以实现很高的存储速度，但其存储容量难以满足对大量数据存储的需求；一般的静态RAM虽然速度有限，但其存储深度却是双口RAM和FIFO难以企及的，并且可以容易地实现多片扩展。对高速数据采集系统而言，由于采样速率快、数据多，要求存储深度比较大，实时处理的难度比较高，一般的静态RAM就可以满足速度要求。628512容量为512Kbit，存取时间70 ns，可以满足10Msps以上的采样要求，比较具有典型意义。图4是AD9225与628512的接口电路图，存储方案实际是分时存储的特例。
AD9225输出的12位数据，再加溢出指示位OTR共13位与两片628512相连。两片628512组成并联结构，由同一地址发生器产生地址，同一写信号线控制写操作。20位地址发生器由五片同步计数器74161构成。注意，此处不能采用异步计数器，因为异步计数器的输出延时太大。
存储器的存储过程可以分解成三个过程来讨论：① 地址码加在RAM芯片的地址输入端，选中相应的存储单元，使其可以进行写操作。② 将要写入的数据放在数据总线上。③ 加上片选信号及写信号，这两个有效信号打开三态门，使DB上的数据进入输入回路，送到存储单元的位线上，从而写入该存储单元。
图4所示的接口电路中，地址码信息和数据码信息在同一时钟信号的上升沿产生，片选线由地址发生器的最高位（A19）提供。写信号线是接口的最关键部分,它必须保证在AD9225转换完成以后，在保持地址信息和数据信息不变的情况下，有足够的低电平持续时间完成存储操作。低速的数据采集系统可直接采用CLK作为写信号。高速ADC在使用时，对时钟的占空比要求很高。AD9225要求CLK的占空比在45％~55％之间，如果还直接采用CLK作为写信号，将难以满足要求。例如，如果采样速率为10 Msps，CLK的低电平持续时间仅为50 ns，小于628512的存储时间70 ns，因此，必须要对晶振信号进行适当的逻辑转换以获得足够的写周期。考虑到写信号仅在低电平状态有效，在产生信号时，可以尽量减少高电平的持续时间。经过多次仿真试验，作者采用图5所示的逻辑控制电路来获得相应的写信号。
对应于此逻辑电路的时序如图6所示。
5 结 论
本文详细介绍了一种高 速A/D转换芯片AD9225的结构和应用，在比较了各种高速数据采集系统的存储方案的基础上，给出了AD9225与628512存储器的接口电路。该电路实际上是高速ADC与一般RAM接口的缩影。在写信号的实现上，采用了控制逻辑，具有创新性和通用性。
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