在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是一個(gè)至關(guān)重要的組件，它能夠?qū)?a href="http://www.brongaenegriffin.com/analog/" target="_blank">模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，為后續(xù)的數(shù)字處理提供基礎(chǔ)。今天，我們要深入探討的是德州儀器（TI）推出的一款16位、高速、微功耗采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器——ADS8317。

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一、ADS8317的關(guān)鍵特性

高精度與低噪聲

ADS8317擁有16位分辨率，且無(wú)丟失碼，能夠在全電源范圍內(nèi)提供精確的轉(zhuǎn)換結(jié)果。其極低的噪聲水平僅為$5LSB_{PP}$，同時(shí)具備出色的線性度，積分非線性（INL）典型值為±0.8LSB，最大值為±1.5LSB；微分非線性（DNL）典型值為+0.7LSB，最大值為+1.25LSB。此外，它的偏移誤差最大為±1mV，增益誤差典型值為±16LSB，這些特性使得ADS8317在對(duì)精度要求極高的應(yīng)用中表現(xiàn)卓越。

微功耗設(shè)計(jì)

該轉(zhuǎn)換器采用了微功耗設(shè)計(jì)，在不同的電源電壓和采樣率下，功耗表現(xiàn)出色。例如，在5V電源、250kHz采樣率時(shí)，功耗僅為10mW；在2.7V電源、10kHz采樣率時(shí)，功耗可低至0.2mW。這種低功耗特性使其非常適合用于電池供電系統(tǒng)，能夠有效延長(zhǎng)電池的使用壽命。

靈活的接口與封裝

ADS8317具備串行（SPI?/SSI）接口，方便與微處理器和其他數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行通信。同時(shí)，它提供了MSOP - 8和SON - 8兩種封裝形式，且與ADS8321引腳兼容，為設(shè)計(jì)人員提供了更多的選擇和靈活性。

二、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

由于其出色的性能特點(diǎn)，ADS8317在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用：

• 電池供電系統(tǒng)：低功耗特性使其成為電池供電設(shè)備的理想選擇，如便攜式儀器、無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)等。
• 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：可用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、隔離數(shù)據(jù)采集以及多通道同時(shí)采樣系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確地采集和轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)。
• 工業(yè)控制與機(jī)器人：在工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)器人領(lǐng)域，ADS8317可以為控制系統(tǒng)提供高精度的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
• 振動(dòng)分析：其高精度和低噪聲特性使其能夠有效地檢測(cè)和分析振動(dòng)信號(hào)，為設(shè)備的故障診斷和維護(hù)提供依據(jù)。

三、電氣特性詳解

不同電源電壓下的性能

ADS8317支持2.7V至5.5V的電源電壓范圍。在$V{DD}= + 5V$，$V{REF}= + 2.5V$，$-IN = + 2.5V$，$f{SAMPLE}=250kHz$和$f{CLK}=24×f{SAMPLE}$的條件下，它的輸入電阻在采樣時(shí)為50 - 100GΩ，輸入電容為24pF，輸入泄漏電流為±50nA。在$V{DD}= + 2.7V$，$V{REF}= + 1.25V$，$-IN = 1.25V$，$f{SAMPLE}=200kHz$和$f{CLK}=24×f{SAMPLE}$的條件下，其各項(xiàng)性能指標(biāo)也能滿足不同應(yīng)用的需求。

采樣動(dòng)態(tài)特性

轉(zhuǎn)換時(shí)間（16DCLOCKs）在2.667 - 666.7μs之間，采集時(shí)間（4.5DCLOCKs）在$f_{CLK}=6.0MHz$時(shí)為0.75μs，吞吐量速率可達(dá)250kSPS。這些特性使得ADS8317能夠快速、準(zhǔn)確地完成模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

四、工作原理與輸入設(shè)計(jì)

逐次逼近寄存器（SAR）架構(gòu)

ADS8317采用經(jīng)典的逐次逼近寄存器（SAR）架構(gòu)，基于電容重新分配原理，本身包含采樣保持功能。它采用0.6μ CMOS工藝制造，能夠在每秒高達(dá)250,000次轉(zhuǎn)換的同時(shí)，從$V_{DD}$獲取的功耗小于10mW。

模擬輸入方式

模擬輸入為雙極性全差分輸入，有單端和差分兩種驅(qū)動(dòng)方式。單端輸入時(shí)，–IN輸入保持固定電壓，+IN輸入圍繞該電壓擺動(dòng)，峰 - 峰幅度為$2×V{REF}$；差分輸入時(shí)，輸入幅度為+IN和–IN輸入的差值，每個(gè)輸入的峰 - 峰幅度為$V{REF}$，但由于輸入相位相差180°，差值電壓的峰 - 峰幅度為$2×V_{REF}$。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意驅(qū)動(dòng)+IN和–IN輸入的源的輸出阻抗匹配，以避免出現(xiàn)偏移誤差、增益誤差和線性誤差。

五、參考輸入與噪聲處理

參考輸入的影響

外部參考電壓設(shè)置了模擬輸入范圍，ADS8317的參考電壓范圍為0.1V至$V_{DD}/2$。隨著參考電壓的降低，每個(gè)數(shù)字輸出代碼的模擬電壓權(quán)重減小，即最低有效位（LSB）尺寸減小。這會(huì)導(dǎo)致A/D轉(zhuǎn)換器固有的任何偏移或增益誤差在LSB尺寸方面看起來(lái)增大，同時(shí)內(nèi)部噪聲對(duì)輸出代碼的潛在誤差貢獻(xiàn)也會(huì)增加。因此，在使用較低參考電壓時(shí)，需要特別注意提供干凈的布局、穩(wěn)定的電源和低噪聲的參考信號(hào)。

噪聲處理方法

ADS8317本身的過(guò)渡噪聲極低?？梢酝ㄟ^(guò)直方圖來(lái)分析其輸出代碼的分布，其過(guò)渡噪聲可通過(guò)將測(cè)量的代碼數(shù)除以6來(lái)計(jì)算，ADS8317的±3σ分布對(duì)應(yīng)的輸出代碼為5個(gè)，過(guò)渡噪聲小于±0.8LSB。為了實(shí)現(xiàn)這種低噪聲性能，輸入信號(hào)和參考的峰 - 峰噪聲必須小于50μV。此外，還可以通過(guò)平均數(shù)字代碼來(lái)補(bǔ)償A/D轉(zhuǎn)換器的噪聲，對(duì)于直流附近的輸入信號(hào)，平均轉(zhuǎn)換結(jié)果可以將過(guò)渡噪聲降低$1/\sqrt{n}$倍，其中n為平均次數(shù)；對(duì)于交流信號(hào)，可以使用數(shù)字濾波器進(jìn)行低通濾波和抽取，每抽取2倍，信噪比可提高3dB。

六、數(shù)字接口與數(shù)據(jù)格式

信號(hào)電平與兼容性

ADS8317的電源電壓范圍較寬，A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字接口電路能夠在2.7V至5.5V的電壓下工作，可適應(yīng)不同的邏輯電平。當(dāng)電源電壓在4.5V至5.5V（5V邏輯電平）時(shí)，可直接與其他5V的CMOS集成電路連接；當(dāng)電源電壓在2.7V至3.6V（3V邏輯電平）時(shí)，可直接與其他3.3V的LVCMOS集成電路連接。

串行接口通信

通過(guò)同步3線串行接口與微處理器和其他數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行通信。DCLOCK信號(hào)同步數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)位在DCLOCK的下降沿傳輸。下降的CS信號(hào)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸，轉(zhuǎn)換周期的前4.5至5.0個(gè)時(shí)鐘周期用于采樣輸入信號(hào)，第五個(gè)DCLOCK下降沿后，$Dout$啟用并輸出一個(gè)低電平，接下來(lái)的16個(gè)DCLOCK周期輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果，最高有效位在前。轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出后，后續(xù)時(shí)鐘重復(fù)輸出數(shù)據(jù)，但最低有效位在前。$D_{OUT}$在最高有效位重復(fù)輸出后進(jìn)入三態(tài)，新的轉(zhuǎn)換需要將$\overline{CS}$拉高再拉低才能啟動(dòng)。

數(shù)據(jù)格式

輸出數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，對(duì)于給定的輸入電壓，其理想輸出代碼在表1和圖44中有所體現(xiàn)，但實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到偏移、增益誤差和噪聲的影響。

七、功耗優(yōu)化與設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

功耗管理

ADS8317的功耗與轉(zhuǎn)換速率成正比，因此要實(shí)現(xiàn)最低功耗，首先要找到滿足系統(tǒng)要求的最低轉(zhuǎn)換速率。此外，該轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換完成和$\overline{CS}$為高電平時(shí)會(huì)進(jìn)入掉電模式。理想情況下，每次轉(zhuǎn)換應(yīng)盡可能快地完成，最好以6.0MHz的時(shí)鐘速率進(jìn)行，這樣可以使轉(zhuǎn)換器在掉電模式下停留更長(zhǎng)時(shí)間，從而降低功耗。需要注意的是，轉(zhuǎn)換完成后進(jìn)入的掉電模式和$\overline{CS}$為高電平時(shí)的完全掉電模式有所不同，$\overline{CS}$為低電平時(shí)僅關(guān)閉模擬部分，數(shù)字部分只有在$\overline{CS}$為高電平時(shí)才完全關(guān)閉。

短循環(huán)技術(shù)

可以利用CS信號(hào)進(jìn)行短循環(huán)轉(zhuǎn)換，即可以在任何時(shí)候終止轉(zhuǎn)換。例如，如果只需要14位的轉(zhuǎn)換結(jié)果，在第14位時(shí)鐘輸出后將CS拉高即可終止轉(zhuǎn)換。這種技術(shù)可以降低功耗或提高轉(zhuǎn)換速率，尤其適用于監(jiān)測(cè)模擬信號(hào)直到滿足某些條件的應(yīng)用場(chǎng)景。

上電復(fù)位

ADS8317的偏置電路是自啟動(dòng)的，但上電后可能會(huì)有靜態(tài)電流（$V_{DD}=5V$時(shí)約為1.5mA），除非電路進(jìn)入掉電模式。建議在電源電壓達(dá)到至少2.4V后進(jìn)行一次測(cè)試轉(zhuǎn)換，以確保設(shè)備進(jìn)入掉電模式。

布局設(shè)計(jì)

為了獲得最佳性能，在ADS8317的電路布局設(shè)計(jì)中需要格外小心，特別是在參考電壓較低和/或轉(zhuǎn)換速率較高的情況下。該轉(zhuǎn)換器在250kHz的轉(zhuǎn)換速率下，每167ns做出一次位決策，因此需要確保數(shù)字輸出能夠及時(shí)更新，電容陣列能夠正確切換和充電，比較器的輸入能夠在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)穩(wěn)定到16位水平。同時(shí)，要注意避免電源、參考和接地連接上的尖峰信號(hào)對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響，可以通過(guò)使用旁路電容、低通濾波器等方法來(lái)減少這些干擾。此外，ADS8317的GND引腳應(yīng)連接到干凈的接地端，理想情況下應(yīng)使用模擬接地平面。

八、應(yīng)用電路示例

圖45展示了一個(gè)基本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的示例。在該系統(tǒng)中，ADS8317的輸入范圍連接到2.5V或4.096V，通過(guò)5Ω電阻和1μF至10μF電容過(guò)濾微控制器和電源的噪聲。運(yùn)算放大器和電壓參考連接到模擬電源AVDD，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

ADS8317以其高精度、低功耗、靈活的接口和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，成為電子工程師在模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)中的優(yōu)秀選擇。通過(guò)深入了解其特性、工作原理和設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，我們可以更好地發(fā)揮該轉(zhuǎn)換器的性能，為各種應(yīng)用設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的電路。在實(shí)際應(yīng)用中，你是否遇到過(guò)類似模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)？你又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。