Richi´s Lab

Analog Devices ADC-12QZ

ADC-12QZ

Der ADC-12QZ ist ein SAR-Analog-Digital-Wandler mit einer Auflösung von 12Bit. 1972 verkaufte Analog Devices diesen Baustein für 92$ bei einer Abnahme von 100 Stück. Für kleinere Abnahmemengen findet sich ein Preis von 129$. Der optionale Eingangspufferverstärker ist dabei allerdings noch nicht enthalten. Mit Eingangspuffer erhöht sich der Preis bei kleinen Abnahmemengen um 20$. Insgesamt ergibt sich so auf heutige Kaufkraft umgerechnet ein Preis von 1056$ (2022). Mehrere Hersteller hatten später pinkompatible Alternativen im Programm.

Der ADC-12QZ wandelt alle 40µs einen Analogwert und bietet dabei eine Linearität von +/-0,5LSB. Der Temperaturdrift des Offsets beträgt +/-10ppm/°C. Der Verstärkungsfaktor driftet mit +/-30ppm/°C. Der Baustein benötigt als Versorgungspotentiale -15V, +5V und +15V. Der mögliche Eingangsspannungsbereich erstreckt sich von -10V bis +10V. Der Eingangswiderstand beträgt mit Eingangspuffer 1GΩ, ohne Eingangspuffer sind es abhängig vom Eingangsspannungsbereich nur 2,5KΩ bis 10kΩ. Der gewandelte Digitalwert wird parallel und seriell ausgegeben.

Auf der unteren Seite des Gehäuses ist ein Datecode aufgedruckt und verweist auf die Kalenderwoche 39 des Jahres 1984.

Neben dem 12Bit-Analog-Digital-Wandler verkaufte Analog Devices zusätzlich die kleineren Bausteine ADC-8S und ADC-10Z mit Auflösungen von 8Bit und 10Bit. Abgesehen von der Auflösung sind die Spezifikationen sehr ähnlich, wobei der ADC-8S auffällig langsam wandelt. Ein Zyklus kann laut Datenblatt bis zu 1ms dauern. Diese Zeit wird allerdings nur bei einer Vollaussteuerung benötigt. Bei geringeren Pegeln erfolgt die Umwandlung schneller. Ein im Datenblatt abgedrucktes Diagramm zeigt, dass sich der ADC-8S nicht wie ein klassischer SAR-ADC verhält. Stattdessen fährt der DAC eine Treppe mit einer konstanten Stufenhöhe von einem LSB ab. Bei einer Auflösung von 8Bit müssen folglich bis zu 256 Stufen durchlaufen werden, bis der Wert des Eingangssignals erreicht ist. Der Einzelpreis für den ADC-8S betrug 79$ (2022: 560$). Der Eingangspuffer ist in diesem Baustein immer integriert. Der Einzelpreis für den ADC-10Z lag inklusive Eingangspuffer bei 119$ (2022: 844$).

 

ADC-12QZ Package

Das Gehäuse ist 10,2cm x 5,1cm x 1,0cm groß. An den langen Kanten wäre Platz für insgesamt 72 Pins. Beim ADC-12QZ sind 35 Pins vorhanden. Der Deckel besitzt Löcher für mehr, allerdings nicht für alle 72 möglichen Pins. Über einen rechteckigen Ausschnitt wurde der Baustein mit einer weißen, silikonartigen Masse vergossen.

 

ADC-12QZ Datenblatt Blockschaltbild

Der ADC-12QZ enthält alle für einen Analog-Digital-Wandlung notwendigen Schaltungsteile. Im oberen Bereich des Schaltbilds zeigt das Datenblatt den optionale Eingangsverstärker. Das Eingangssignal wird letztlich über den Pin 5 oder den Pin 6 zum DAC geführt. Der Pin 1 ermöglicht es den Verstärkungsfaktor des DACs und damit des ADCs abzugleichen. Wie sich noch zeigen wird, befindet sich der "High Gain Ref Amp" innerhalb des DACs. Über die Verschaltung der Pins 5, 6 und 19 lässt sich der Eingangsspannungsbereich des ADC-12QZ einstellen. Hinter den Pins 5 und 6 befinden sich unterschiedlich große Widerstände, die die Eingangsspannung in unterschiedlich große Ströme wandeln. Über Pin 19 kann ein zusätzlicher Strom und damit ein Offset eingestellt werden.

Der Knoten, in dem die Ströme des Eingangssignals, des DACs und des Offseteingangs zusammenkommen, ist mit dem Komparator des ADCs und dem Pin 20 verbunden. An dieser Stelle befindet sich auch die analoge Signalmasse, die dafür sorgt, dass der Komparator möglichst störungsfrei arbeiten kann. Im ADC-12QZ ist außerdem eine Referenzspannungsquelle integriert, deren Potential am Pin 22 anliegt.

Im unteren Bereich ist der digitale Teil des ADCs abgebildet. Eine TTL-Logik wertet den Ausgang des Komparators aus und steuert den DAC nach dem SAR-Prinzip an. Abhängig vom Ausgang des Komparators werden die Eingänge des DACs beginnend beim höchsten Bit aktiviert oder verbleiben inaktiv. Das führt dazu, dass der Ausgang des DACs und damit auch der digitale Wert sich dem Eingangssignal annähern. Nach 12 Zyklen ist der Endwert erreicht. Die Steuersignale des DACs werden gleichzeitig direkt auf die Ausgangspins geführt. Das MSB ist zusätzlich invertiert verfügbar. Das ist im bipolaren Betrieb nützlich, wo man darüber den Ausgangswert alternativ als komplementäre Zahl abgreifen kann.

Der ADC-12QZ besitzt einen internen Taktgenerator. Über den Pin 35 ist es möglich alternativ ein externes Taktsignal einzuspeisen. Neben der parallelen Datenausgabe bietet der Baustein auch einen seriellen Ausgang. Ein digitales Massepotential hält die Störungen der Logik von den analogen Schaltungsteilen fern.

 

ADC-12QZ Verguss

Der ADC-12QZ besteht aus einer dünnen Platine, die die Anschlusspins trägt und kopfüber in dem zweiteiligen Gehäuse vergossen ist.

 

ADC-12QZ PCBA

ADC-12QZ PCBA

Der Silikonverguss lässt sich relativ gut entfernen. Lediglich auf der Unterseite der Platine haftet das Silikon stärker an.

Nachdem der ADC-12QZ im Jahr 1984 bereits 12 Jahre produziert wurde, kann es gut sein, dass frühere Modell noch anders aufgebaut waren.

 

ADC-12QZ Bauteile

ADC-12QZ Bauteile

Die Pins der Bauteile wurden so gekürzt, dass sie trotz der dünnen Platine nicht zu weit aus der Platine herausstehen. Bei den Metallgehäusen sind die Laschen, die der Zuordnung der Pins dienen, umgebogen.

 

ADC-12QZ PCBA Analyse

ADC-12QZ PCBA Analyse

Der Kern des ADC-12QZ ist der 12Bit-DAC AD562. Die Referenzspannungserzeugung basiert auf der temperaturkompensierten Zenerdiode 1N829A. Über den Operationsverstärker AD741 wird die Spannung der Zenerdiode passend skaliert. Ein freier Bestückplatz würde es ermöglichen mit einem zusätzlichen Widerstand den Skalierungsfaktor anzupassen. Die so aufbereitete Referenzspannung wird mit einem Folien- und einem Keramikkondensator stabilisiert und dient gleichzeitig als Versorgung für die Zenerdiode. Am Pin 22 liegt die nicht skalierte Referenzspannung der Zenerdiode an. Höchstwahrscheinlich dient die Schnittstelle dazu das Potential mit einer Kapazität zu stabilisieren.

In der unteren rechten Ecke ist der Eingangspuffer platziert. Es handelt sich um einen LM310. In der Versorgungsleitung befindet sich ein Folienkondensator, der tatsächlich hauptsächlich für den Eingangspuffer benötigt wird. Der ADC ist so aufgebaut, dass die Stromaufnahme relativ konstant bleibt. Die Stromaufnahme des Eingangspuffers ändert sich dagegen mit dem Eingangspegel. Der Komparator, ein LM211, befindet sich als Schnittstelle zwischen Analog- und Digitalteil in der Mitte der Platine.

Im Digitalteil arbeiten ein SN7400, ein SN7402, ein SN7404, ein SN7474, ein SN7493 und zwei 9334. Die 9334 speichern während der Digitalwandlung den aktuellen Wert, liefern ihn dem DAC zu und geben ihn über die parallele Schnittstelle aus. Ein einzelner 2N2222 erzeugt das invertierte MSB. In der Versorgung des Digitalteils befindet sich an der rechten Kante ein weiterer Folienkondensator. Die Platzierung erscheint nicht besonders logisch, da der Strom auf seinem Weg durch den Analogteil Störungen verursachen könnte. Nachdem im Digitalteil aber mehrere kleine Keramikkondensatoren platziert sind, werden die problematischen hochfrequente Störungen dort bereits stark bedämpft.

 

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