AD7713：一款強(qiáng)大的信號調(diào)理 ADC 的深度剖析

引言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，對于低頻率測量應(yīng)用而言，一款性能卓越的模擬前端至關(guān)重要。AD7713 作為 Analog Devices 推出的一款完整模擬前端，專為低頻率測量應(yīng)用打造，在工業(yè)控制、過程控制等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。本文將對 AD7713 進(jìn)行全面解析，涵蓋其特性、應(yīng)用、工作原理以及使用注意事項(xiàng)等方面，希望能為電子工程師們在設(shè)計(jì)過程中提供有價(jià)值的參考。

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一、AD7713 特性亮點(diǎn)

高精度與高性能

AD7713 采用電荷平衡 ADC 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了 24 位無丟失碼性能，非線性度僅為 0.0015%，能夠提供高精度的測量結(jié)果。其 3 通道可編程增益前端，增益范圍從 1 到 128，可靈活適應(yīng)不同的輸入信號。具備 2 個(gè)差分輸入和 1 個(gè)單端高電壓輸入，滿足多樣化的輸入需求。

低功耗設(shè)計(jì)

該器件支持單電源供電，典型功耗僅為 3.5 mW，還具備掉電模式，典型功耗低至 150 μW，非常適合對功耗要求較高的應(yīng)用場景，如電池供電設(shè)備。

靈活的濾波與校準(zhǔn)功能

內(nèi)置低通濾波器，濾波器截止頻率可編程，可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整濾波特性。同時(shí)，能夠讀寫校準(zhǔn)系數(shù)，提供自校準(zhǔn)、系統(tǒng)校準(zhǔn)和背景校準(zhǔn)等多種校準(zhǔn)選項(xiàng)，有效消除溫度漂移等誤差，確保測量的準(zhǔn)確性。

便捷的通信接口

擁有雙向微控制器串行接口，方便與微處理器、微控制器和數(shù)字信號處理器等進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和控制。

二、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

環(huán)路供電（智能）變送器

AD7713 總供電電流小于 1 mA，非常適合環(huán)路供電系統(tǒng)。其可編程增益通道可直接接受來自傳感器的輸入信號，減少了大量的信號調(diào)理環(huán)節(jié)，提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性。

RTD 傳感器應(yīng)用

提供兩個(gè)匹配的 200 μA 恒流源，可用于 3 線和 4 線 RTD 配置，為 RTD 傳感器提供激勵(lì)電流。通過合理的電路設(shè)計(jì)，能夠有效消除引線電阻誤差，提高測量精度。

過程控制與便攜式工業(yè)儀器

在過程控制和便攜式工業(yè)儀器中，AD7713 的高精度、低功耗和靈活的配置能力使其成為理想的選擇，能夠滿足對信號測量和處理的嚴(yán)格要求。

三、工作原理詳解

信號采集與轉(zhuǎn)換

AD7713 采用 Σ - Δ 轉(zhuǎn)換技術(shù)，輸入信號通過模擬調(diào)制器進(jìn)行采樣，調(diào)制器輸出經(jīng)過片上數(shù)字濾波器處理，最終輸出串行數(shù)字字。輸入信號采樣頻率由主時(shí)鐘頻率和所選增益決定，通過多次采樣和電容比例縮放實(shí)現(xiàn)不同的增益。

數(shù)字濾波

數(shù)字濾波器采用 sinc3 響應(yīng)，其截止頻率和第一陷波頻率可通過片上控制寄存器編程。第一陷波頻率范圍為 1.952 Hz 至 205.59 Hz，對應(yīng) -3 dB 頻率范圍為 0.52 Hz 至 53.9 Hz。濾波器能夠有效抑制 50 Hz 和 60 Hz 等干擾信號，提高測量的抗干擾能力。

校準(zhǔn)機(jī)制

AD7713 提供多種校準(zhǔn)模式，包括自校準(zhǔn)、系統(tǒng)校準(zhǔn)和背景校準(zhǔn)。自校準(zhǔn)通過內(nèi)部短路輸入和參考電壓進(jìn)行零點(diǎn)和滿量程校準(zhǔn)；系統(tǒng)校準(zhǔn)利用系統(tǒng)提供的零刻度和滿刻度電壓進(jìn)行校準(zhǔn)，可補(bǔ)償系統(tǒng)增益和偏移誤差；背景校準(zhǔn)則在正常轉(zhuǎn)換序列中進(jìn)行連續(xù)校準(zhǔn)，自動(dòng)更新校準(zhǔn)系數(shù)，消除溫度漂移和時(shí)間漂移的影響。

四、使用注意事項(xiàng)

時(shí)鐘與同步

AD7713 需要主時(shí)鐘輸入，可采用外部時(shí)鐘或晶體振蕩器。時(shí)鐘頻率直接影響輸入采樣頻率、調(diào)制器采樣頻率、輸出更新速率和校準(zhǔn)時(shí)間等參數(shù)。多個(gè) AD7713 可通過 SYNC 輸入進(jìn)行同步，確保輸出寄存器同時(shí)更新。

電源與接地

模擬和數(shù)字電源獨(dú)立引腳，以減少模擬和數(shù)字部分之間的耦合。數(shù)字電源電壓不得超過模擬電源電壓 0.3 V，建議使用相同的 5 V 電源，并進(jìn)行單獨(dú)的去耦處理。

輸入阻抗與抗混疊

AIN1 和 AIN2 輸入呈現(xiàn)高阻抗動(dòng)態(tài)負(fù)載，輸入采樣率決定了模擬輸入電容的充電時(shí)間，外部阻抗過大會(huì)引入增益誤差，可通過系統(tǒng)校準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)償。數(shù)字濾波器在整數(shù)倍調(diào)制器采樣頻率處無抑制能力，可在模擬輸入前端添加適當(dāng)?shù)目够殳B濾波器。

校準(zhǔn)與精度

為確保測量精度，應(yīng)在環(huán)境溫度、電源電壓、增益、濾波器陷波或輸入范圍發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)。背景校準(zhǔn)模式可自動(dòng)處理這些變化，但需注意首次輸出結(jié)果可能不準(zhǔn)確。

五、接口與應(yīng)用電路

數(shù)字接口

AD7713 提供自時(shí)鐘模式和外部時(shí)鐘模式兩種工作模式，可根據(jù)不同的處理器和應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。自時(shí)鐘模式下，AD7713 提供串行時(shí)鐘信號；外部時(shí)鐘模式下，需外部提供串行時(shí)鐘。

典型應(yīng)用電路

4 線 RTD 配置

利用 RTD 電流源為 RTD 傳感器提供激勵(lì)電流，同時(shí)利用另一個(gè)電流源生成參考電壓，確保模擬輸入電壓跨度與參考電壓成比例，補(bǔ)償 RTD 電流源的溫度漂移誤差。

3 線 RTD 配置

通過第二個(gè) RTD 電流源補(bǔ)償引線電阻誤差，消除因電流流過引線電阻產(chǎn)生的電壓誤差。

4 - 20 mA 環(huán)路測量

利用 AD7713 的高電平輸入測量 4 - 20 mA 環(huán)路電流，通過系統(tǒng)校準(zhǔn)消除 4 mA 電流產(chǎn)生的偏移。

六、總結(jié)

AD7713 以其高精度、低功耗、靈活的配置和強(qiáng)大的校準(zhǔn)功能，成為低頻率測量應(yīng)用中的優(yōu)秀選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，電子工程師們需要充分考慮時(shí)鐘、電源、輸入阻抗和校準(zhǔn)等因素，以確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。同時(shí)，合理選擇應(yīng)用電路和接口模式，能夠充分發(fā)揮 AD7713 的優(yōu)勢，滿足不同應(yīng)用場景的需求。希望本文能為工程師們在使用 AD7713 時(shí)提供有益的指導(dǎo)，你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似的 ADC 器件？它們在性能和使用上有哪些差異呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。