关于AD7770和AD7779的特性

AD7770和AD7779是8通道同步采样Σ-Δ型模数转换器(ADC)。每个通道都包括一个专用可编程增益放大器(PGA)级(提供1、2、4、8倍的增益)、一个完整Σ-Δ型ADC和一个低延迟sinc3数字滤波器。

在AD7770和AD7779的不同模块的模拟域和数字域中均实现了多种诊断和监控功能，例如基准电压模块、调制器或串行接口等(参见图1)。

AD7770和AD7779还内置一个12位逐次逼近型寄存器(SAR) ADC，其电源可以是独立的。该SAR ADC可以用于诊断和监控目的，这样就无需利用外部多路复用器和信号调理，腾出一个专门用于系统测量功能的Σ-Δ型ADC通道。内部节点和外部电源也可加以监控，只需通过连接到SAR ADC的内部诊断多路复用器进行选择。

AD7770和AD7779可以利用串行外设接口(SPI)控制模式或引脚控制模式进行配置。在引脚控制模式下，器件在上电时根据施加于MODE0至MODE3引脚及FORMAT0、FORMAT1引脚的电压电平而配置为预定义状态。有关更多信息，参见AD7770和AD7779数据手册。

在引脚控制模式下无法访问器件上实现的许多诊断和监控功能。SPI控制模式与引脚控制模式不同，允许访问全部已实现的诊断和监控功能。因此，若要进行诊断和监控，建议在SPI控制模式下使用器件。

本应用笔记简要介绍这些特性、AD7770和AD7779检测到的错误，以及为诊断和解决这些错误而提供的不同选项。

 

 

图1.AD7770/AD7779框图(仅显示8个通道信号链中的一个)

诊断和监控特性

除了信号链、基准电压、共模、数字和电源模块以外，AD7770和AD7779还提供了一系列全面的错误检查器，用以保证器件正常工作。当一个错误检查器被触发时，

• ALERT引脚置位。

• Σ-Δ ADC报头的警报位置1。

• 状态寄存器中的CHIP_ERROR位置1(参见表2)。

• 存储器映射中的对应标志位置1。

ALERT引脚(引脚控制模式下为引脚18，SPI控制模式下为引脚16)通常仅在有错误存在时为高电平，当错误消失时便会复位;但SPI错误除外，ALERT引脚要等到下一次SPI处理才会复位。

 

 

图2.ADC输出8位报头加24位转换数据

Σ-Δ数据报头居于每一个数据帧之前，且包含一个警报位。警报位是最高有效位(MSB)，其功能类似于ALERT引脚，提醒用户存在错误。此外，通过DOUT_HEADER_FORMAT位(寄存器0x015的位5)，Σ-Δ循环冗余校验(CRC)报头(如图3所示，默认有效)可切换为错误报头(仅限SPI控制模式)。如果选择错误报头，则报头中的四个最低有效位(LSB)会提供重要错误的附加信息，例如：检测到复位、调制器或数字滤波器饱和、模拟输入超范围或欠范围，如图3所示。

 

 

图3.CRC和错误报头

当任一受监控模块触发错误时，存储器映射中的对应标志位就会置位;因此，引脚控制模式下无法检查错误来源，因为它不能访问存储器映射，而SPI控制模式则可以访问。

存储器映射中的这些错误位是粘滞位，也就是它们仅在错误寄存器被读取且错误源消失时复位。

为了简化错误源搜索，存储器映射包括三个寄存器：STATUS_REG_1、STATUS_REG_2和STATUS_REG_3。这些寄存器指向包含错误源的特定寄存器，如表2所示。

例如，若位于STATUS_REG_1(参见表2)中的ERR_LOC_CH4位置1，则说明CH4_ERR_REG寄存器(寄存器0x050)中的一个标志位被触发(依据表1)。

所有三个状态寄存器中的位5(CHIP_ERROR位)均指示是否有错误位置1。当错误不再存在且回读该寄存器时，此位清0。然而，位[4:0]要等到其指向的寄存器被读取且复位时才会清0。

表1.寄存器错误源

 

 

表2.AD7770和AD7779状态寄存器

 

 

主信号链

在信号链上，AD7770和AD7779包括用来监控输出、滤波器输出、调制器和模拟输入引脚的错误检查器。还能诊断PGA增益。

 

 

图4.每个通道的信号链

输出饱和

存储器映射(从寄存器0x01C到寄存器0x04B)中有与每个通道相关联的失调和增益调整寄存器用以校准器件，详见AD7770和AD7779数据手册中的说明。若在设置增益和失调配置时出错，可能导致输出在正满量程或负满量程处削波。例如，若通道6中的增益和失调寄存器编程不当，对应CH6_7_SAT_ERR寄存器的CH6_ERR_ OUTPUT_SAT位就会置位，如表3所示。

当该错误被触发时，可以通过读取最后一个转换数据来复查，验证输出是否确实在正满量程或负满量程(+FS或−FS)处削波。验证之后，检查削波的可能原因是否是失调或增益寄存器编程不当，尤其是如果之前未触发滤波器或调制器饱和检查器。然而，如果这些校准寄存器未被覆盖，此错误检查器也可能指示滤波器接近饱和，导致默认增益调整比例将输出放大到+FS或–FS以外。

触发此错误检查器的另一个可能原因是模拟输入超出+FS或–FS，这可以利用SAR ADC来诊断，详见“SAR ADC”部分;或者是PGA未正确调整模拟输入，这可以按照“PGA增益”部分所述来诊断。

滤波器饱和

若滤波器输出超于范围，就会触发滤波器饱和，表示输出码比正或负满量程高出大约20%。

当8个片内数字滤波器中的任意滤波器产生饱和错误时，位于对应CHx_SAT_ERR寄存器(寄存器0x054至寄存器0x057)中的对应CHx_ERR_FILTER_SAT位置位。例如，当通道6滤波器饱和时，CH6_7_SAT_ERR寄存器的位1置位，如表3所示。

滤波器饱和可通过读取Σ-Δ转换结果来验证。验证之后，建议通过ADC_MUX_CONFIG寄存器(寄存器0x015的位[7:6])将Σ-Δ基准电压源更改为AVDD引脚以支持更宽的输入范围，从而检查输入电压是否比预期要高，若是则说明ADC前端有错误。

如果滤波器输出超出界限，将会触发输出饱和。因此，检查输出饱和是否触发可表明调制器饱和检查器是否正常工作。

调制器饱和

如果8个Σ-Δ调制器中的任意调制器连续输出20个1或0，饱和检测器就会将对应CHx_SAT_ERR寄存器的对应CHx_ERR_ MOD_SAT位置位。例如，若通道6连续输出20个1或0，CH6_7_SAT_ERR寄存器的位2就会置1，如表3所示。仅当读取CHx_ERR_MOD_SAT寄存器且错误自动消失时，例如调制器重新输出非全0或全1的值时，此位才会清零。

调制器饱和表明它超出界限，复位调制器需要

 

 

引脚发出一个脉冲。

调制器超出界限会导致滤波器饱和被触发。因此，检查滤波器饱和是否触发可表明调制器饱和检查器是否正常工作。

所有三种饱和检测器(即调制器、滤波器和输出饱和检测器)均默认使能，可通过CHX_ERR_REG_EN寄存器(寄存器0x058[7:5])禁用，如表3所示。

PGA增益

用户可以诊断PGA增益是否正确。通过ADC_MUX_CONFIG(寄存器0x015[5:2])，连接到Σ-Δ转换器输入的内部诊断复用器可以连接280 mV信号。这样便可独立验证每个增益级(1、2、4和8)，方法是检查Σ-Δ转换数据经通道配置寄存器(寄存器0x000至寄存器0x007的位[7:6])设置的增益级放大后，是否对应于280 mV。

过压/欠压事件

AD7770和AD7779的每路模拟输入均包括一个比较器电路，当绝对输入电压超过AINx+或AINx–引脚的AVDD1x电平时(AINx+或AINx−引脚可以单独检查)，对应CHx_ERR_REG寄存器(寄存器0x04C至寄存器0x053)的CHx_ERR_AINx_OV位就会被触发。当输入电压回到低于AVDD1x的电平且回读该寄存器时，此位清零。在数据手册限值以外使用ADC会降低其线性度。例如，若通道6正模拟输入(AIN6+)超过AVDD1B电压，CH6_ERR_AINP_OV位(寄存器0x052的位1)就会置位。

同样，通过第二比较器，当输入电压低于AVSSx时，对应CHx_ERR_ AINx_UV位会置位，直到电平升到AVSSx以上且回读该寄存器时才清零。图5显示了各路模拟输入中实现的两个比较器(AINx+和AINx–中均有)，它们用于监控和触发过压或欠压事件。如果错误长时间存在，可能会降低器件性能并影响其可靠性。由于比较器阈值容差，触发电平在供电轨的±30 mV范围内，即过压事件为AVDDx ±30 mV，欠压事件为AVSSx ±30 mV。

 

 

图5.各路模拟输入中的过压和欠压比较器

当这些错误被触发时，可利用SAR型转换器来诊断，将引起触发的模拟输入连接到AUXAIN+/AUXAIN−输入对。更多信息参见SAR ADC部分。

表3.CH6_7_SAT_ERR和CHx_ERR_REG_EN

 

 

基准电压模块

基准电压检测

AD7770和AD7779基准电压由片内比较器监控，如图6所示。当任意Σ-Δ通道的基准电压降至0.7 V以下数微秒时，就会触发此比较器，受影响通道的对应CHx_ERR_REF_DET位，即该通道的错误寄存器(CHx_ERR_REG，寄存器0x04C至寄存器0x053)的位0会置1。此错误标志指示施加的基准电压不再是有效的转换基准电压。当发生这种情况时，此错误可能说明内部基准电压缓冲器有故障，或基准电压源有故障。

 

 

图6.基准电压检测电路

如果基准电压检测被触发，将利用SAR ADC选择SAR输入复用器上的REF+或REF−信号来诊断基准电压源，详见“SAR ADC”部分。或者可以选择ADC输入复用器上的基准电压源，通过任意Σ-Δ ADC测量基准电压(参见“Σ-Δ ADC复用器”部分)。

为此，选定的基准电压必须是AVDD1A/AVSS1A，使得输入范围可以更宽，支持2.5 V基准电压而不会使调制器饱和(参见表5)。

验证基准电压时，选择基准电压缓冲器的不同工作模式(BUFFER_CONFIG_1和BUFFER_CONFIG_2寄存器)，以及/或者从三个可用源中的任意一个选择不同的基准电压(ADC_MUX_CONFIG寄存器，寄存器0x015的位[7:6])，具体选项分别总结在表4和表5中。

基准电压检测错误检查器默认禁用，通过CHX_ERR_REG_EN寄存器的REF_DET_TEST_EN位(寄存器0x058的位0)可使能。

诸如PGA等的共模输出(通常为(AVDD1+AVSSx) ÷ 2)无内置监控功能，因此当输出不正常时，不会触发错误检查器。然而，其运行情况可通过将SAR输入复用器连接到VCM引脚电压来诊断。更多信息参见SAR ADC部分。

表4.基准电压源缓冲器工作模式

 

 

表5.Σ-Δ基准电压源

 

 

数字内核

ROM和MEMMAP CRC

上电期间会进行熔丝验证。为避免再生长引起熔丝错误，AD7770和AD7779内置一个纠错码(ECC)模块，它可以校正每个熔丝库的最多2个熔丝。总共有四个熔丝库。

寄存器和熔丝包含一个CRC模块，它会计算所有片内寄存器的CRC值，包括读/写寄存器、配置寄存器和测试寄存器，并存储结果。每隔几秒钟，CRC会重新计算并与存储的值进行比较。如果存储的CRC值与计算的CRC值不一致，即说明存储器映射(MEMMAP)遭到破坏。每次访问存储器映射时，就会重新计算并存储CRC。

计算CRC并与从熔丝模块本身读取的值相比较，表达式如下：

x16 + x14 + x13 + x12 + x10 + x8 + x6 + x4 + x3 + x1 + x0

在ROM验证期间发现错误或MEMMAP遭到破坏时，ROM_CRC_ERR位或MEMMAP_CRC_ERR位会分别置位。这些位位于GEN_ERR_REG_1寄存器(寄存器0x059)中。如果发生错误，应复位器件。

这些检查器默认使能，将GEN_ERR_REG_1_EN寄存器的MEMMAP_CRC_TEST_EN位和/或ROM_CRC_TEST_EN位(寄存器0x05A的位[5:4])清零可予以禁用。

MCLK开关错误

AD7770和AD7779集成了一个内部振荡器时钟，用于在上电时初始化器件。上电之后，AD7770和AD7779将时钟控制权转交给外部振荡器。如果交接中发生错误，EXT_MCLK_SWITCH_ERR位(GEN_ERR_REG_2，寄存器0x05B的位4)会置位，指示交接未正确完成，器件利用内部振荡器工作。这种情况下可以评估AD7770和AD7779，并且可以读取或写入寄存器，但Σ-Δ不产生任何转换结果。通过检查转换结果，可以诊断交接是否正确完成。

此错误假定最低时钟频率为265 kHz。当外部时钟介于132 kHz和265 kHz之间时，根据内部振荡器与外部时钟之间的内部同步，可能不会触发错误。因此，如果外部时钟低于265 kHz，应设置CLK_QUAL_DIS位以禁用检查器。设置此位还会清除错误。如果外部时钟高于265 kHz且该错误被触发，应复位器件。

接口完整性

AD7770和AD7779数字数据传输的完整性很重要，否则ADC和系统之间可能发生误解，导致不正确的信息被传输和处理。

SPI传输错误

在SPI模式下使用AD7770和AD7779时，SPI接口除读取ADC数据以外，还会读取存储器映射寄存器并写入配置寄存器。它实现了多种错误检查器来检测所传输数据中的错误。这些错误不会自动消失，标志位和ALERT引脚会置位，直至回读寄存器并发出新的SPI帧为止。

无效读/写

当主机试图读取无效寄存器地址，或写入无效寄存器地址或只读寄存器时，SPI_INVALID_READ_ERR位或SPI_INVALID_ WRITE_ERR位(位于GEN_ERR_REG_1寄存器中，即寄存器0x059中)会置位，并且该读/写操作会被忽略。

SCLK计数器

任何SPI处理都是8时钟周期的倍数。AD7770和AD7779内置一个计数器，当

引脚为低电平且计数的时钟数不是8的倍数时，它会触发一个标志位，即位于GEN_ERR_REG_1寄存器(寄存器0x059)中的SPI_CLK_COUNT_ERR位。它在

引脚返回高电平时置位。如果执行的是写操作，而SCLK时钟线包含的SCLK脉冲数不正确，则不会将该值写入所寻址的寄存器，写操作会被中止。

 

为验证处理是否正确完成，建议读取错误被触发时试图写入的寄存器。

CRC校验和错误

如果使能SPI CRC(寄存器0x05A的位0)，则会将8个CRC位附加于所有SPI处理，如图7所示。

如果AD7770和AD7779计算的CRC与主机传输的CRC不一致，就会触发CRC错误，SPI_CRC_ERR位(寄存器0x059的位0)、ALERT引脚和Σ-Δ报头中的ALERT位置位，直至回读寄存器为止。收到的消息会被忽略。

SPI CRC仅影响读/写寄存器映射命令和SAR输出转换。

计算一个写操作的CRC时，使用R/

位、7个地址位和数据位。

 

AD7770和AD7779将8个CRC位追加到每个传输的数据上。如果前一命令是写入寄存器命令，则SDO引脚移出之前收到的数据。

如果该命令是回读寄存器命令，则AD7770和AD7779利用收到的回读命令的R/

位、7位地址和来自寻址寄存器的回读数据计算CRC。

 

如果SPI接口回读SAR转换结果，则利用b0000报头和SAR转换数据的12位计算CRC。

要从SPI接口回读SAR结果，应将位于GENERAL_USER_CONFIG寄存器(寄存器0x012)的SAR_DIAG_MODE_EN位置1。

CRC校验和通过以下多项式计算：

x8 + x2 + x + 1

x8 + x2 + x + 1

图7.带CRC的SPI

 

 

Σ-Δ转换

Σ-Δ转换结果可通过数据输出接口或SPI接口回读。

在引脚控制模式下，接口通过FORMAT0和FORMAT1引脚选择。在SPI控制模式下，必须将SPI_SLAVE_MODE_EN位置1以通过SPI接口输出ADC数据，而不是通过默认选择的DOUT接口。

来自Σ-Δ的回读数据格式包含每通道的32位、8个报头位和24个数据位，如图2所示。默认情况下，Σ-Δ的8个报头位包含一个警报位(其提供与ALERT引脚相同的信息)、数据的通道来源以及4个CRC位，如图3所示。

CRC利用来自双配对(例如：通道0和通道1、通道2和通道3、通道4和通道5、通道6和通道7)的数据计算。总共使用56位，举例而言，对于第二个通道对(通道2和通道3)，具体情形如下：

56位 = 警报位 + 3个ADC通道位(010) +

24个数据位(通道2)+ 警报位 +

3个ADC通道位(011) + 24个数据位(通道3)

第一配对通道包含CRC MSB，第二配对通道包含CRC LSB。

如果收到的数据与追加的CRC不匹配，则会忽略ADC数据。

当任一接口错误被触发时，ALERT引脚置位并保持该状态，直至读取错误寄存器，即直至成功执行新的SPI处理为止。SPI错误检查器默认禁用，但可通过GEN_ERR_REG_1_EN寄存器(寄存器0x05A)使能。

电源

当AD7770和AD7779初始化，而器件正在运行时，会执行进一步监控以检查电平，确定是否发生了复位。

内部低压差稳压器(LDO)状态

AD7770和AD7779有两个用于模拟模块的片内LDO(ALDO1和ALDO2)，以及一个用于数字内核的LDO (DLDO)。内部比较器监控各LDO输出电平，若电压超过预定义阈值电平，就会产生错误标志。

图8.模拟LDO监控器

 

 

如果三个LDO中任意一个的电压降至阈值以下数微秒，对应位就会置位，具体而言是：ALDO1_PSM_ERR、ALDO2_PSM_ERR或DLDO_PSM_ERR，位于GEN_ERR_REG_2寄存器中(寄存器0x5B的位[2:1])。

需要时，设置BUFFER_CONFIG_2寄存器(寄存器0x01A)的位[2:0]可以独立过驱这些内部LDO，并将外部电源直接施加于AREG1CAP、AREG2CAP或DREGCAP引脚。这种情况下会检测外部输出电压。

图9.数字LDO监控器

 

 

所有三个检查器均可通过GEN_ERR_REG_2_EN(寄存器0x05C的位[3:2])分别使能/禁用。

当三个错误检查器中的任意检查器被触发时，可通过如下方式来验证：使用片内SAR ADC并将SAR输入上的多路复用器连接到对应LDO，如“SAR ADC”部分所述。

可以手动触发内部监控器电平以检查检测器是否正常工作，方法是适当地设置寄存器0x05C的位[1:0]，即LDO_PSM_TRIP_TEST_EN位。这些位可将比较器窗口阈值提高到LDO输出以上，迫使比较器触发。

复位和上电

在下述任一情况下，AD7770和AD7779寄存器可复位到默认值：

• 上电过程中，当LDO达到最低电平并触发上电复位(POR)电路时。

• 在

输入引脚上引入一个脉冲。建议在器件刚刚上电之后采取这一做法，以保证器件正确初始化。

 

• 按照对应序列写入GENERAL_ USER_CONFIG_1寄存器的SOFT_RESET位(寄存器0x011的位[1:0])，例如先写入SOFT_RESET = 11，再写入SOFT_RESET = 10，以此类推。

• 通过SDI引脚连续输入64个1。

无论何种情况，AD7770和AD7779都会复位，因此RESET_DETECT位(GEN_ERR_REG_2，寄存器0x05B的位5)有效。

AD7770和AD7779会保持复位状态，直至所有LDO输出均处于正确的电平。RESET_DETECT位置位说明软件或硬件复位已发生。例如，RESET_DETECT位检测到

引脚上的毛刺。

 

当RESET_DETECT位置位时，在SPI控制模式下读取GEN_ERR_REG_2寄存器(寄存器0x05B)，或在SPI和引脚控制模式下切换

引脚状态，可将该位清零。

 

SAR ADC

 

 

图10.用于诊断的SAR ADC

AD7770和AD7779的SAR ADC用于上述许多诊断功能，包括片内和系统级诊断功能。它独立于主ADC通道(即AVDD4和AVSS4引脚)进行控制并供电，因此最好利用SAR来执行这些功能，以免中断主ADC转换。同使用另一个Σ-Δ ADC通道进行诊断相比，使用SAR进行诊断可降低常见故障发生风险，因为SAR使用SPI引脚而非数据输出接口来输出ADC数据。使用外部多路复用器(如图10所示，这样选择线路可由AD7770和AD7779通用输入/输出(GPIO)引脚及一些信号调理电路控制)，可以使能SAR ADC诊断信号通道，而不必腾出其他专门用于系统测量功能的Σ-Δ ADC。

当SAR ADC通过SAR_DIAG_ MODE_EN位(寄存器0x012的位5)使能时，所有从SDO引脚线路移出的数据都来自SAR ADC，因此Σ-Δ ADC可以同时使用DOUT接口而不会中断。

诊断多路复用器

SAR ADC之前有一个多路复用器(如图11所示)，允许选择一对外部引脚(AUXAIN+/ AUXAIN−)和不同片内电源、信号、LDO输出电压、基准电压源、芯片温度等。

 

表6列出了所有可通过多路复用器连接到SAR ADC的可能节点，其中一些用于监控目的，已在上文中提到。此多路复用器通过GLOBAL_ MUX_CONFIG寄存器(寄存器0x016的位[7:3])控制。根据这些位的配置，SAR ADC输入连接不同的信号，如表6所示。当上述错误之一被触发时，如果对应信号可连接到SAR输入，那么SAR ADC就能监控其电平，因此它可用于诊断目的。

 

图11.SAR ADC信号链，包括多路复用器、驱动放大器、ADC和逻辑电路

表6.SAR多路复用器输入

 

 

1 AVSSx代表AVSS1至AVSS4引脚

Σ-Δ型ADC多路复用器

只要PGA之前的信号路径上有一个多路复用器(参见图1)，那么每个Σ-Δ型ADC也可用于诊断目的，转换器输入可以连接到零电平、正满量程、负满量程或280 mV固定差分信号，以验证通道是否正常工作，如图12所示。

 

 

图12.用于选择ADC基准电压源和输入的ADC_MUX_CONFIG寄存器

诊断多路复用器通过目标通道的CHx_CONFIG寄存器的CHx_RX位使能，然后便可通过ADC_MUX_CONFIG寄存器的MTR_MUX_CTRL位(寄存器0x015的位[5:2])控制该多路复用器。因此，该内部多路复用器也可用于诊断目的，如“PGA增益”部分和“基准电压检测”部分所述。

 

AD7770和AD7779有一些特性支持用户监控内部模块，在警报出现时进行诊断，以及验证错误是否存在。器件还可以应用不同方法来更正这些错误。所有这些特性使AD7770和AD7779成为需要诊断功能以实现功能安全的应用的理想解决方案。