探索AD7863：高速低功耗雙14位ADC的卓越性能與應(yīng)用

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）是連接現(xiàn)實(shí)世界模擬信號(hào)與數(shù)字系統(tǒng)的關(guān)鍵橋梁。今天，我們將深入探討一款性能卓越的ADC——AD7863，它由Analog Devices公司推出，具備高速、低功耗等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種信號(hào)處理場(chǎng)景。

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一、AD7863概述

AD7863是一款高速、低功耗的雙14位模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器，采用單5V電源供電。它集成了兩個(gè)5.2μs的逐次逼近型ADC、兩個(gè)跟蹤/保持放大器、一個(gè)內(nèi)部2.5V參考源以及高速并行接口。四個(gè)模擬輸入被分為兩個(gè)通道（A和B），可通過(guò)A0輸入進(jìn)行選擇，每個(gè)通道有兩個(gè)輸入（VA1和VA2或VB1和VB2），能夠同時(shí)采樣和轉(zhuǎn)換，有效保留了兩個(gè)模擬輸入信號(hào)的相對(duì)相位信息。

1.1 產(chǎn)品特性

• 雙ADC功能：具備兩個(gè)完整的ADC功能，可同時(shí)對(duì)兩個(gè)通道進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換，每個(gè)ADC有一個(gè)雙通道輸入多路復(fù)用器。轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后5.2μs即可獲得兩個(gè)通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果。
• 單電源供電與低功耗：僅需單5V電源供電，典型功耗為70mW。還具備自動(dòng)掉電模式，轉(zhuǎn)換完成后自動(dòng)進(jìn)入掉電狀態(tài)，下一次轉(zhuǎn)換前喚醒，非常適合電池供電或便攜式應(yīng)用。
• 高速并行接口：提供高速并行接口，便于與微處理器、微控制器和數(shù)字信號(hào)處理器連接。
• 多種輸入范圍可選：有三種版本可供選擇，分別是AD7863 - 10（±10V）、AD7863 - 3（±2.5V）和AD7863 - 2（0V至2.5V），滿足不同應(yīng)用需求。
• 高精度孔徑延遲匹配：兩個(gè)輸入采樣和保持放大器之間的孔徑延遲匹配非常緊密。

二、技術(shù)細(xì)節(jié)剖析

2.1 轉(zhuǎn)換過(guò)程

轉(zhuǎn)換通過(guò)脈沖CONVST輸入啟動(dòng)。CONVST下降沿時(shí)，兩個(gè)片上跟蹤/保持放大器同時(shí)進(jìn)入保持狀態(tài)，兩個(gè)通道的轉(zhuǎn)換序列同時(shí)開(kāi)始。轉(zhuǎn)換時(shí)鐘由內(nèi)部激光微調(diào)時(shí)鐘振蕩器電路產(chǎn)生。BUSY信號(hào)指示轉(zhuǎn)換結(jié)束，此時(shí)兩個(gè)通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果可讀取。首次讀取訪問(wèn)VA1或VB1的結(jié)果，第二次讀取訪問(wèn)VA2或VB2的結(jié)果，具體取決于轉(zhuǎn)換啟動(dòng)前多路復(fù)用器選擇A0的高低。數(shù)據(jù)通過(guò)14位并行數(shù)據(jù)總線，使用標(biāo)準(zhǔn)的(overline{CS})和(overline{RD})信號(hào)讀取。

2.2 跟蹤/保持部分

AD7863的跟蹤/保持放大器能使ADC將滿量程幅度的輸入正弦波精確轉(zhuǎn)換為14位精度。其輸入帶寬大于ADC的奈奎斯特速率，即使ADC以最大吞吐量175kHz運(yùn)行，也能處理超過(guò)87.5kHz的輸入頻率。跟蹤/保持放大器能在小于500ns內(nèi)以14位精度獲取輸入信號(hào)，兩個(gè)跟蹤/保持放大器在CONVST下降沿同時(shí)對(duì)各自輸入通道采樣，孔徑時(shí)間匹配良好，可準(zhǔn)確保留不同輸入通道之間的相對(duì)相位信息，也允許多個(gè)AD7863同時(shí)采樣多個(gè)通道。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，器件返回跟蹤模式，跟蹤/保持放大器的采集時(shí)間從此刻開(kāi)始。

2.3 參考部分

AD7863有一個(gè)參考引腳VREF，可訪問(wèn)其內(nèi)部2.5V參考源，也可連接外部2.5V參考源。參考源誤差會(huì)導(dǎo)致AD7863傳輸函數(shù)的增益誤差，并增加指定的滿量程誤差。使用內(nèi)部參考源時(shí)，需從VREF引腳連接兩個(gè)0.1μF陶瓷圓盤(pán)電容器到AGND。若需將該參考源用于外部，應(yīng)進(jìn)行緩沖，因?yàn)閰⒖驾敵龃?lián)有FET開(kāi)關(guān)，輸出源阻抗標(biāo)稱(chēng)值為5.5kΩ。內(nèi)部參考源在25°C時(shí)的公差為±10mV，典型溫度系數(shù)為25ppm/°C，溫度范圍內(nèi)最大誤差為±25mV。

2.4 模擬輸入部分

AD7863有三種類(lèi)型：AD7863 - 10（±10V輸入范圍）、AD7863 - 3（±2.5V輸入范圍）和AD7863 - 2（0V至2.5V輸入范圍）。AD7863 - 10和AD7863 - 3的模擬輸入部分有特定的電阻網(wǎng)絡(luò)，輸入無(wú)動(dòng)態(tài)充電電流。輸出編碼為二進(jìn)制補(bǔ)碼，設(shè)計(jì)的代碼轉(zhuǎn)換發(fā)生在連續(xù)整數(shù)LSB值上。AD7863 - 2的模擬輸入部分無(wú)偏置電阻，輸入范圍為0V至2.5V，輸入電流小于100nA，輸出編碼為自然二進(jìn)制。

2.5 偏移和滿量程調(diào)整

在大多數(shù)數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用中，偏移和滿量程誤差對(duì)系統(tǒng)性能影響較小。但在某些需要輸入信號(hào)覆蓋整個(gè)模擬輸入動(dòng)態(tài)范圍的應(yīng)用中，需將偏移和滿量程誤差調(diào)整為零?？赏ㄟ^(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)AD7863模擬輸入的運(yùn)算放大器的偏移來(lái)調(diào)整偏移誤差，先在輸入電壓低于模擬地1/2 LSB時(shí)進(jìn)行調(diào)整。增益誤差可在第一個(gè)代碼轉(zhuǎn)換（ADC負(fù)滿量程）或最后一個(gè)代碼轉(zhuǎn)換（ADC正滿量程）處進(jìn)行調(diào)整。也可通過(guò)調(diào)整VREF引腳電壓來(lái)調(diào)整滿量程誤差。

三、工作模式

3.1 模式1：正常功率，高采樣性能

在模式1下，CONVST下降沿啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，跟蹤/保持放大器進(jìn)入保持狀態(tài)，BUSY信號(hào)變高表示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。轉(zhuǎn)換完成（CONVST下降沿后最多5.2μs）時(shí)，BUSY信號(hào)變低，轉(zhuǎn)換結(jié)果可讀取。若多路復(fù)用器選擇A0為低，第一次轉(zhuǎn)換后的前兩個(gè)讀取脈沖訪問(wèn)通道A的結(jié)果；第二次轉(zhuǎn)換且A0為高時(shí)，后兩個(gè)讀取脈沖訪問(wèn)通道B的結(jié)果。數(shù)據(jù)通過(guò)14位并行數(shù)據(jù)總線讀取，讀取操作需在下次CONVST下降沿前至少400ns完成，此模式適用于高采樣應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)175kHz的吞吐量。

3.2 模式2：轉(zhuǎn)換后自動(dòng)掉電，自動(dòng)睡眠

在模式2下，轉(zhuǎn)換完成后BUSY信號(hào)變低，器件自動(dòng)進(jìn)入睡眠模式，下次轉(zhuǎn)換前喚醒。CONVST上升沿喚醒器件，使用外部參考時(shí)喚醒時(shí)間為4.8μs，使用內(nèi)部參考時(shí)為5ms。喚醒后跟蹤/保持放大器進(jìn)入保持狀態(tài)，轉(zhuǎn)換需5.2μs，從CONVST上升沿到轉(zhuǎn)換完成共需10μs（外部參考）或5.005ms（內(nèi)部參考）。此模式在器件轉(zhuǎn)換速率較慢時(shí)非常有用，可顯著降低功耗。

四、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)

4.1 信噪比（SNR）

SNR是ADC輸出端的信號(hào) - 噪聲比，信號(hào)是基波的均方根幅度，噪聲是采樣頻率一半（fs/2）以?xún)?nèi)所有非基波信號(hào)的均方根和（不包括直流）。理論上，正弦波輸入時(shí)SNR與位數(shù)N的關(guān)系為(SNR = (6.02N + 1.76)dB)，對(duì)于14位轉(zhuǎn)換器，理論SNR為86.04dB。通過(guò)對(duì)AD7863進(jìn)行FFT分析可獲得實(shí)際SNR。

4.2 總諧波失真（THD）

THD是諧波均方根和與基波均方根值的比值，計(jì)算公式為(THD(dB) = 20logfrac{sqrt{V{2}^{2} + V{3}^{2} + V{4}^{2} + V{5}^{2}}}{V{1}})，其中(V{1})是基波的均方根幅度，(V{2}) - (V{5})是二次至五次諧波的均方根幅度。THD也可從ADC輸出頻譜的FFT圖中得出。

4.3 互調(diào)失真

輸入由兩個(gè)頻率的正弦波組成時(shí)，非線性有源器件會(huì)在和差頻率mfa ± nfb（m, n = 0, 1, 2, 3...）處產(chǎn)生失真產(chǎn)物。二次和三次互調(diào)項(xiàng)分別有不同的頻率特性，計(jì)算互調(diào)失真時(shí)，是將各個(gè)失真產(chǎn)物的均方根和與基波的均方根幅度的比值以dB表示。

4.4 峰值諧波或雜散噪聲

指ADC輸出頻譜中（fs/2以?xún)?nèi)，不包括直流）次大分量的均方根值與基波均方根值的比值，通常由頻譜中最大諧波決定，若諧波淹沒(méi)在噪聲中，則為噪聲峰值。

4.5 DC線性圖

可通過(guò)典型的DNL和INL圖直觀了解AD7863的DC線性性能。

五、功耗考慮

在自動(dòng)掉電模式下，AD7863的功耗取決于采樣率。當(dāng)采樣率遠(yuǎn)低于175kHz時(shí)，功耗會(huì)降低。通過(guò)功率 - 采樣率圖可直觀看到不同采樣率下的功耗情況。

六、微處理器接口

AD7863的高速總線時(shí)序允許直接與DSP處理器和現(xiàn)代16位微處理器接口。文檔中給出了與ADSP - 2100、ADSP - 2101/ADSP - 2102、TMS32010、TMS320C25、MC68000和80C196等微處理器的接口示例，不同接口有各自的特點(diǎn)和操作指令。

七、應(yīng)用場(chǎng)景

7.1 矢量電機(jī)控制

在矢量電機(jī)控制中，電機(jī)電流可分為產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和產(chǎn)生磁通量的兩個(gè)分量，為實(shí)現(xiàn)電機(jī)的最佳性能，需獨(dú)立控制這兩個(gè)分量。AD7863非常適合該應(yīng)用，通過(guò)同時(shí)采樣電機(jī)兩相電流和電壓信息，可保留相對(duì)相位信息。DSP微處理器根據(jù)AD7863反饋的信息進(jìn)行數(shù)學(xué)變換和控制回路計(jì)算。

7.2 多通道系統(tǒng)

多個(gè)AD7863可配置為處理多輸入通道的系統(tǒng)，常用于聲納和雷達(dá)等應(yīng)用。通過(guò)一個(gè)公共讀取信號(hào)驅(qū)動(dòng)所有AD7863的(overline{RD})輸入，每個(gè)AD7863有唯一地址，由地址解碼器選擇?？墒褂靡粋€(gè)AD7863的參考輸出驅(qū)動(dòng)其他AD7863的參考輸入，確保各通道之間的滿量程跟蹤良好。

八、PCB布局考慮

為實(shí)現(xiàn)AD7863的最佳性能，PCB布局至關(guān)重要。應(yīng)采用單獨(dú)的模擬接地平面（AGND），涵蓋AD7863的所有接地引腳、電壓參考電路、電源旁路電路、模擬輸入走線以及相關(guān)輸入/緩沖放大器。數(shù)字信號(hào)走線應(yīng)在常規(guī)PCB接地平面（DGND）內(nèi)。同時(shí)，PCB應(yīng)具有兩個(gè)獨(dú)立的電源平面，分別用于模擬和數(shù)字電路，模擬電源平面應(yīng)通過(guò)鐵氧體磁珠與常規(guī)PCB電源平面單點(diǎn)連接。為降低模擬電源平面的噪聲，可使用多個(gè)去耦電容器，將(V_{DD})和參考引腳分別去耦到AGND，電容器應(yīng)盡可能靠近AD7863引腳，以減小引線電感。

九、訂購(gòu)指南

AD7863有多種型號(hào)可供選擇，不同型號(hào)在輸入范圍、相對(duì)精度、溫度范圍、封裝類(lèi)型等方面有所差異，用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

總之，AD7863憑借其高速、低功耗、高精度等特性，在眾多電子應(yīng)用中展現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。電子工程師在設(shè)計(jì)相關(guān)系統(tǒng)時(shí)，可充分利用其特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)更高效、更精確的信號(hào)處理。你在使用AD7863或其他類(lèi)似ADC時(shí)，遇到過(guò)哪些有趣的問(wèn)題或挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享。