高精度多通道數(shù)據(jù)采集利器：AD4691/AD4692 ADC深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高精度、多通道的數(shù)據(jù)采集需求日益增長(zhǎng)。AD4691/AD4692作為一款16通道、16位逐次逼近寄存器（SAR）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），憑借其卓越的性能和豐富的特性，成為了眾多應(yīng)用場(chǎng)景中的理想選擇。今天，我們就來深入了解一下這款A(yù)DC的奧秘。

文件下載：AD4692.pdf

一、產(chǎn)品概述

AD4691/AD4692專為高密度多通道精密數(shù)據(jù)采集解決方案而優(yōu)化，結(jié)合了精密性能、Easy Drive特性和靈活的數(shù)字處理能力，能夠與空間受限的模擬前端（AFE）設(shè)計(jì)和低功耗數(shù)字主機(jī)兼容。它有兩種封裝形式可供選擇：32引腳、5mm × 5mm的LFCSP封裝和36焊球、2.96mm × 2.96mm的WLCSP封裝，工作溫度范圍為 -40°C至 +125°C。

二、關(guān)鍵特性

（一）Easy Drive特性

傳統(tǒng)的多路復(fù)用SAR ADC在模擬輸入上通常會(huì)出現(xiàn)較大的電荷和電壓瞬變，需要為每個(gè)通道添加高速、低噪聲且功耗大的ADC驅(qū)動(dòng)放大器，這會(huì)顯著增加系統(tǒng)尺寸和功耗。而AD4691/AD4692具備的Easy Drive特性，有效解決了這些問題。

• 模擬輸入預(yù)充電緩沖器：大幅減少了多路復(fù)用SAR ADC典型的輸入瞬變，使AD4691/AD4692能夠容忍更高阻抗的信號(hào)源，而不會(huì)影響采樣精度，從而可以直接與精密放大器連接，無需高速ADC驅(qū)動(dòng)器。同時(shí)，減少的瞬變還允許在RC輸入濾波器中使用更低的電容和更高的電阻，降低了前端放大器的不穩(wěn)定性和功耗。
• 參考輸入預(yù)充電緩沖器：減少了VREF信號(hào)上的瞬變，降低了直接驅(qū)動(dòng)ADC REF輸入時(shí)對(duì)參考電壓瞬態(tài)響應(yīng)的要求，還允許ADC在參考源和REF輸入之間承受更大的串聯(lián)電阻，而不影響精度。
• WLCSP封裝的內(nèi)部參考緩沖器：為使用無緩沖、低功耗參考源的應(yīng)用，或需要外部噪聲濾波的參考源，以及多個(gè)設(shè)備共享公共參考源的應(yīng)用提供了便利。
• 過壓保護(hù)鉗位：在IN0至IN15和COM上設(shè)置了過壓保護(hù)鉗位，降低了持續(xù)直流過壓事件對(duì)設(shè)備造成損壞的風(fēng)險(xiǎn)，在輸入驅(qū)動(dòng)電路正電源軌大于VREF的系統(tǒng)中，可省去外部鉗位二極管。

（二）高性能指標(biāo)

• 采樣率：AD4691的采樣率為500kSPS，AD4692則高達(dá)1MSPS，能夠滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)采樣速度的需求。
• 積分非線性（INL）：最大為±0.85 LSB，保證了高精度的轉(zhuǎn)換。
• 無失碼：確保了16位的分辨率，提供準(zhǔn)確的數(shù)字輸出。
• 首次轉(zhuǎn)換精度：保證了每次轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。
• 信噪失真比（SINAD）：典型值為93dB（fIN = 1kHz），提供了良好的信號(hào)質(zhì)量。
• 低功耗：在fS = 1MSPS時(shí)功耗為14.6mW，fS = 500kSPS時(shí)功耗為7.3mW，適合對(duì)功耗敏感的應(yīng)用。

（三）增強(qiáng)的數(shù)字功能

• 每通道平均濾波器：為每個(gè)通道提供片上噪聲濾波，提高測(cè)量分辨率和動(dòng)態(tài)范圍。每個(gè)通道都有獨(dú)立的平均濾波器，避免了通道數(shù)據(jù)的相互覆蓋，實(shí)現(xiàn)了交錯(cuò)通道采樣，提高了多通道測(cè)量的準(zhǔn)確性。
• 可定制的通道序列器：支持標(biāo)準(zhǔn)和高級(jí)兩種序列模式。標(biāo)準(zhǔn)序列模式適用于所有通道具有相同采樣率和平均比的簡(jiǎn)單通道序列；高級(jí)序列模式則允許完全自定義通道序列，實(shí)現(xiàn)每個(gè)通道不同的采樣率和抽取率。
• 交錯(cuò)通道采樣：結(jié)合每通道平均濾波器，減少了采樣盲區(qū)，提高了通道測(cè)量的重復(fù)性。
• 自主和突發(fā)采樣模式：允許固件預(yù)配置通道采樣序列，以最小的數(shù)字開銷執(zhí)行轉(zhuǎn)換。突發(fā)采樣模式還能快速掃描輸入通道，為主機(jī)SPI留出更多時(shí)間來處理結(jié)果，降低了ADC的操作開銷，使低功耗數(shù)字主機(jī)能夠更多地處于睡眠模式。
• 4線SPI接口：與1.2V和1.8V邏輯兼容，支持可選的循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC），確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/li>

三、工作原理

（一）轉(zhuǎn)換過程

AD4691/AD4692的轉(zhuǎn)換過程包括采集階段、轉(zhuǎn)換階段和預(yù)充電階段。

• 采集階段：多路復(fù)用器將活動(dòng)通道連接到ADC采樣電容（CSH），跟蹤輸入信號(hào)，直到轉(zhuǎn)換開始觸發(fā)信號(hào)出現(xiàn)。
• 轉(zhuǎn)換階段：多路復(fù)用器開關(guān)打開，采樣電容CSH上的輸入信號(hào)被采樣，SAR ADC核心在轉(zhuǎn)換結(jié)束后生成相應(yīng)的16位數(shù)字輸出。
• 預(yù)充電階段：在轉(zhuǎn)換階段之后、下一個(gè)采集階段之前，CSH被驅(qū)動(dòng)到下一個(gè)要采集通道的電壓，大幅減少了采集開始時(shí)的電荷和電壓瞬變。預(yù)充電階段在轉(zhuǎn)換開始后515ns結(jié)束。

（二）通道序列器

通道序列器用于自動(dòng)掃描用戶編程的通道序列，與ADC采樣同步。它有標(biāo)準(zhǔn)和高級(jí)兩種模式：

• 標(biāo)準(zhǔn)序列模式：掃描預(yù)編程的一組啟用通道，按升序進(jìn)行，每個(gè)啟用通道在每個(gè)序列迭代中采樣一次。
• 高級(jí)序列模式：通道序列完全可定制，每個(gè)通道的采樣率和抽取率可以不同，通過一系列插槽定義通道序列，序列長(zhǎng)度可編程為1至128個(gè)插槽。

（三）平均濾波器

每個(gè)通道都有一個(gè)平均濾波器，包括累加器塊和除法（右移）塊。累加器計(jì)算來自相應(yīng)輸入通道的ADC樣本的運(yùn)行總和，除法塊將24位總和右移以縮放到16位平均值。支持SPI讀取原始24位累加器輸出或16位平均輸出。

四、應(yīng)用場(chǎng)景

AD4691/AD4692憑借其高性能和豐富的功能，廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域：

• 光功率監(jiān)測(cè)：高精度的轉(zhuǎn)換和低噪聲性能，能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)光功率的變化。
• 醫(yī)療儀器：滿足醫(yī)療設(shè)備對(duì)高精度數(shù)據(jù)采集的要求，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
• 電子測(cè)試和測(cè)量：在測(cè)試和測(cè)量設(shè)備中，提供可靠的多通道數(shù)據(jù)采集。
• 自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備：快速的采樣率和靈活的通道配置，適用于自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。
• 電池供電設(shè)備：低功耗特性使其成為電池供電設(shè)備的理想選擇，延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。

五、使用建議

（一）PCB布局

• 模擬走線和數(shù)字走線應(yīng)物理分離，在同一PCB層的模擬和數(shù)字走線之間添加接地填充，避免數(shù)字走線跨越模擬走線或AD4691/AD4692設(shè)備，除非有接地平面PCB層隔開。
• 在模擬輸入和參考輸入附近放置外部電容，以減少非線性電壓階躍，提高性能。
• 電壓參考輸入REF應(yīng)使用去耦電容，并盡量靠近REF引腳，以降低有效阻抗。
• 電源供應(yīng)應(yīng)使用低等效串聯(lián)電阻（ESR）的陶瓷電容進(jìn)行去耦，電容應(yīng)靠近電源引腳，并使用短而寬的走線連接，以減少電源線上的毛刺影響。

（二）配置和操作

• 根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的操作模式，如CNV時(shí)鐘模式、CNV突發(fā)模式、SPI突發(fā)模式、自主模式或手動(dòng)模式，并按照相應(yīng)的配置流程圖進(jìn)行配置。
• 在使用DRDY信號(hào)時(shí)，正確配置累加器掩碼位，避免鎖定條件的發(fā)生。
• 在進(jìn)行批量讀取ADC數(shù)據(jù)寄存器時(shí)，根據(jù)通道的相鄰性選擇合適的模式，如自動(dòng)遞減模式或直接地址模式，以提高數(shù)據(jù)讀取效率。

六、總結(jié)

AD4691/AD4692以其卓越的性能、豐富的特性和靈活的配置，為高精度多通道數(shù)據(jù)采集提供了一個(gè)強(qiáng)大的解決方案。無論是在空間受限的應(yīng)用中，還是對(duì)功耗和性能有嚴(yán)格要求的場(chǎng)景，它都能展現(xiàn)出出色的表現(xiàn)。作為電子工程師，我們可以充分利用其優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出更加高效、可靠的系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，我們還需要根據(jù)具體需求進(jìn)行合理的配置和優(yōu)化，以發(fā)揮其最大的潛力。你在使用類似ADC的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。