AD4857：8通道同步采樣16位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的剖析

在電子設(shè)計領(lǐng)域，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）是許多應(yīng)用的核心組件，其性能直接影響整個系統(tǒng)的精度和可靠性。AD4857作為一款功能強(qiáng)大的DAS，憑借其獨(dú)特的特性和多樣的應(yīng)用場景，在市場上占據(jù)了重要的地位。本文將深入剖析AD4857的各項(xiàng)特性、工作原理、應(yīng)用信息以及寄存器配置，為電子工程師在實(shí)際設(shè)計中提供全面的參考。

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1. AD4857概述

AD4857是一款全緩沖、8通道同步采樣、16位、1 MSPS的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具備差分、寬共模范圍輸入的特點(diǎn)。它采用5V低壓電源、靈活的輸入緩沖電源以及精密低漂移的內(nèi)部參考和參考緩沖器，允許每個通道的SoftSpan范圍獨(dú)立配置，以匹配原生應(yīng)用信號的擺動，從而減少額外的外部信號調(diào)理。

1.1 主要特性

• 完整的16位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：能夠同時對8個內(nèi)部緩沖通道進(jìn)行采樣，每個通道的吞吐量可達(dá)1 MSPS。
• 差分、寬共模范圍輸入：在25°C時，典型輸入泄漏電流僅為±75 pA，輸入信號靈活性高。
• 高動態(tài)范圍：采用無縫高動態(tài)范圍（SHDR）技術(shù)，在啟用時可自動優(yōu)化通道的輸入信號路徑增益，在不影響線性度的情況下，最小化每個樣本的轉(zhuǎn)換器噪聲。
• 低功耗：在1 MSPS的采樣率下，每個通道的功耗約為45 mW，且功耗隨吞吐量而變化。
• 數(shù)字靈活性：支持SPI CMOS（0.9 V至5.25 V）和LVDS串行輸入輸出，還可選擇16位數(shù)字平均的過采樣功能，以及可選的偏移、增益和相位校正。

1.2 應(yīng)用場景

AD4857適用于多種領(lǐng)域，包括自動測試設(shè)備、航空航天、儀器儀表和控制系統(tǒng)、半導(dǎo)體制造以及測試測量等。

2. 工作原理

2.1 轉(zhuǎn)換器操作

AD4857的工作分為兩個階段：采集階段和轉(zhuǎn)換階段。在采集階段，每個通道的采樣保持電路中的采樣電容連接到各自的模擬輸入緩沖器，跟蹤差分輸入電壓。當(dāng)CNV引腳出現(xiàn)上升沿時，所有采樣保持電路從跟蹤模式轉(zhuǎn)換到保持模式，同時對所有通道的輸入信號進(jìn)行采樣并啟動轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換階段，每個通道的采樣電容連接到一個16位電荷再分配電容數(shù)模轉(zhuǎn)換器（CDAC），通過逐次逼近算法，將采樣的輸入電壓與通道SoftSpan滿量程范圍的二進(jìn)制加權(quán)分?jǐn)?shù)進(jìn)行比較，最終輸出近似于每個通道采樣模擬輸入的數(shù)字代碼。

2.2 傳輸函數(shù)

AD4857將每個通道的滿量程電壓范圍數(shù)字化為 (2^{16}) 個離散電平。結(jié)合ADC主參考電壓REFBUF，每個通道的SoftSpan配置決定了其差分輸入電壓范圍、LSB大小和轉(zhuǎn)換結(jié)果的二進(jìn)制格式。轉(zhuǎn)換結(jié)果在所有雙極性SoftSpan范圍中以二進(jìn)制補(bǔ)碼格式輸出，在所有單極性SoftSpan范圍中以直二進(jìn)制格式輸出。

2.3 SoftSpan

每個通道可以獨(dú)立配置為16種SoftSpan范圍之一，用戶可根據(jù)所需的差分模擬輸入范圍選擇合適的SoftSpan范圍。默認(rèn)情況下，所有通道均為SoftSpan 15，對應(yīng)標(biāo)稱的±40 V雙極性輸入跨度。通過向相應(yīng)的寄存器地址寫入4位SoftSpan代碼，即可配置通道的不同范圍。

2.4 無縫高動態(tài)范圍（SHDR）

SHDR是一種專有技術(shù)，可在每個樣本的基礎(chǔ)上提供盡可能低的輸入?yún)⒖嫁D(zhuǎn)換噪聲。當(dāng)SHDR禁用時，每個通道的SoftSpan范圍自動定義一個固定的轉(zhuǎn)換器模擬信號增益，應(yīng)用于該通道的每個樣本。啟用SHDR后，轉(zhuǎn)換器根據(jù)每個樣本的差分電壓動態(tài)調(diào)整模擬信號增益，對于接近所選SoftSpan范圍最大值的差分電壓，采用與SHDR禁用時相同的增益；對于幅值較低的樣本，轉(zhuǎn)換器自動增加增益，從而降低這些樣本的輸入?yún)⒖嫁D(zhuǎn)換噪聲，提高動態(tài)范圍。

2.5 數(shù)字處理特性

AD4857支持多種數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)后處理功能，包括過采樣、偏移、增益和相位校正。這些功能可通過控制寄存器進(jìn)行配置。

• 過采樣模式：默認(rèn)情況下，AD4857工作在非過采樣模式。啟用過采樣模式后，AD4857會對每個通道的多個轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行數(shù)字平均，適用于需要更低噪聲和更高動態(tài)范圍的應(yīng)用。
• 數(shù)字偏移校正：每個通道可以獨(dú)立編程，為每個轉(zhuǎn)換結(jié)果添加一個16位有符號數(shù)字偏移校正值，用于校正DAS模擬輸入上游的固定偏移誤差。
• 數(shù)字增益校正：每個通道可以獨(dú)立編程，為每個轉(zhuǎn)換結(jié)果應(yīng)用一個數(shù)字增益校正因子，用于校正DAS模擬輸入上游的固定增益誤差。
• 數(shù)字相位校正：在過采樣模式下，每個通道可以獨(dú)立編程，對過采樣的數(shù)字平均值應(yīng)用一個數(shù)字相位校正項(xiàng)，用于補(bǔ)償DAS模擬輸入上游的相位誤差。
• 通道過范圍和欠范圍限制：每個通道的每個轉(zhuǎn)換結(jié)果都會與16位有符號的過范圍和欠范圍限制進(jìn)行比較，如果檢測到任何超出范圍的轉(zhuǎn)換結(jié)果，相應(yīng)的標(biāo)志位將在CH_OR_STATUS寄存器或CH_UR_STATUS寄存器中設(shè)置。

3. 應(yīng)用信息

3.1 緩沖模擬輸入

AD4857的每個通道可以在寬共模輸入范圍內(nèi)同時采樣其模擬輸入引腳之間的電壓差，高CMRR可衰減兩個輸入共有的不需要的信號。寬共模輸入范圍和高CMRR使得INx+和INx - 模擬輸入可以任意擺動，只要每個引腳保持在 ((V{EE}+3.2 ~V)) 和 ((V{CC}-3.2 ~V)) 之間。這種特性簡化了信號鏈設(shè)計，可接受多種信號擺動，包括傳統(tǒng)的模擬輸入信號類型。

3.2 模擬輸入驅(qū)動電路

AD4857的緩沖輸入級對采樣過程具有高度的瞬態(tài)隔離能力。大多數(shù)阻抗小于10 kΩ的傳感器、信號調(diào)理放大器和濾波器網(wǎng)絡(luò)可以直接驅(qū)動4 pF的模擬輸入電容。對于更高阻抗和慢建立電路，可在模擬輸入引腳和GND引腳之間添加一個680 pF的電容，以保持AD4857的完整直流精度。

3.3 模擬輸入過驅(qū)動容限

驅(qū)動任何通道的模擬輸入大于 (V{CC}) 電源，最大電流可達(dá)10 mA，不會影響其他通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果。而驅(qū)動模擬輸入小于 (V{EE}) 電源可能會破壞其他通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果。在 ((V{C C}-V{E E})>44 ~V) 的應(yīng)用中，建議在每個INx+和INx - 引腳串聯(lián)一個外部電阻（例如100 Ω至1000 Ω），以限制故障條件下的閂鎖電流。

3.4 模擬輸入濾波

AD4857的真高阻抗模擬輸入可以適應(yīng)各種無源或有源信號調(diào)理濾波器。緩沖DAS輸入的模擬帶寬為11 MHz，對外部濾波器沒有特定的帶寬要求。常見的濾波器配置是簡單的抗混疊和降噪RC濾波器，其極點(diǎn)位于采樣頻率的一半。

3.5 DAS參考

AD4857支持三種參考配置：內(nèi)部帶隙參考和參考緩沖器、外部參考和內(nèi)部參考緩沖器、外部參考和外部參考緩沖器。大多數(shù)應(yīng)用采用內(nèi)部帶隙參考和參考緩沖器，這是AD4857的默認(rèn)配置。對于需要更好初始精度和/或更低參考溫度漂移的應(yīng)用，可以禁用內(nèi)部帶隙參考，并用外部參考驅(qū)動REFIO引腳。

3.6 電源考慮

AD4857需要五個電源： (V{CC}) 和 (VEE) （正負(fù)模擬輸入緩沖電源）、 (VDD) （5 V核心電源）、 (V{D D H}) （或 (V_{D D L}) ）（1.8 V LDO或1.8 V核心電源）、 (VIO) （數(shù)字輸入和輸出電源）。所有五個電源都有內(nèi)部旁路電容，不需要額外的外部旁路。

3.7 時序和控制

AD4857的采樣和轉(zhuǎn)換由CNV引腳控制。CNV引腳的上升沿將所有通道的采樣保持電路從跟蹤模式轉(zhuǎn)換到保持模式，同時對所有通道的輸入信號進(jìn)行采樣并啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換器狀態(tài)由BUSY輸出指示，BUSY引腳在每次轉(zhuǎn)換開始時從低電平變?yōu)楦唠娖剑钡睫D(zhuǎn)換完成后再變?yōu)榈碗娖健?/p>

3.8 低功耗模式

AD4857支持多種低功耗模式，包括Nap模式和Power-Down模式。在Nap模式下，部分設(shè)備電路關(guān)閉，可降低轉(zhuǎn)換之間的功耗。在Power-Down模式下，設(shè)備的功耗極低，僅需1.3 mW的典型功耗。

3.9 通道睡眠

每個通道可以獨(dú)立進(jìn)入睡眠模式，以降低功耗。睡眠模式下，通道的輸入緩沖器和ADC處于低功耗待機(jī)狀態(tài)，忽略轉(zhuǎn)換請求。

3.10 復(fù)位時序

AD4857可以在不循環(huán)電源的情況下執(zhí)行全局復(fù)位，這在從需要將整個系統(tǒng)重置為已知同步狀態(tài)的系統(tǒng)級事件中恢復(fù)時非常有用。

4. 數(shù)字接口

4.1 CMOS轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出模式

AD4857支持CMOS和LVDS串行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出接口，可通過LVDS/CMOS引腳選擇。在CMOS轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出模式下，應(yīng)用程序可以使用1到8條串行數(shù)據(jù)輸出通道，以優(yōu)化總線寬度和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)吞吐量。

4.2 LVDS轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出模式

在LVDS轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出模式下，信息通過正負(fù)信號對進(jìn)行傳輸，位以差分方式編碼。LVDS總線在 (overline{CS}) 信號為低電平時啟用，為高電平時禁用并處于高阻狀態(tài)，允許總線在多個設(shè)備之間共享。

4.3 數(shù)據(jù)包格式

AD4857提供兩種用戶可選的數(shù)據(jù)包大小：16位和24位。數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)格式取決于數(shù)據(jù)包大小、過采樣模式和測試模式配置。在非過采樣模式、過采樣模式和測試模式下，通道和狀態(tài)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)格式有所不同。

4.4 SPI寄存器配置總線

SPI寄存器配置總線允許數(shù)字主機(jī)讀取和寫入AD4857的內(nèi)存映射寄存器。該總線獨(dú)立于CMOS或LVDS轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出總線。SPI寄存器配置總線支持3線和4線操作，可通過設(shè)置相應(yīng)的寄存器位進(jìn)行選擇。

5. 寄存器配置

AD4857具有可編程的用戶寄存器，用于配置設(shè)備和監(jiān)控其狀態(tài)。這些寄存器可以通過SPI寄存器配置總線進(jìn)行訪問。寄存器包括SPI配置寄存器、設(shè)備配置寄存器、通道配置寄存器等，每個寄存器都有特定的功能和位描述。

6. 總結(jié)

AD4857作為一款高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有多種強(qiáng)大的特性和功能，適用于各種對精度和可靠性要求較高的應(yīng)用場景。電子工程師在設(shè)計過程中，可以根據(jù)具體需求靈活配置AD4857的各個參數(shù)，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要注意電源管理、信號調(diào)理、PCB布局等方面的問題，以確保AD4857能夠正常工作。你在使用AD4857的過程中，是否遇到過一些特殊的問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。