在當(dāng)今的電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）扮演著至關(guān)重要的角色，它是連接現(xiàn)實(shí)世界模擬信號(hào)與數(shù)字系統(tǒng)的橋梁。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）推出的一款低功耗、四通道CMOS 12位A/D轉(zhuǎn)換器——ADC124S021。

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一、產(chǎn)品概述

ADC124S021具有高速串行接口，其獨(dú)特之處在于它并非僅在單一采樣率下規(guī)定性能，而是在50 ksps至200 ksps的采樣率范圍內(nèi)都有完整的性能指標(biāo)。它采用逐次逼近寄存器（SAR）架構(gòu)，并內(nèi)置跟蹤保持電路，最多可接受四個(gè)輸入信號(hào)，輸入范圍為0V至VA。供電方面，它支持2.7V - 5.25V的單電源供電，輸出的串行數(shù)據(jù)為直接二進(jìn)制格式，與SPI?、QSPI?、MICROWIRE以及許多常見的DSP串行接口兼容。

二、產(chǎn)品特性

2.1 多通道與可變采樣率

ADC124S021擁有四個(gè)輸入通道，可同時(shí)處理多個(gè)模擬信號(hào)。而且，它能在50 ksps至200 ksps的采樣率范圍內(nèi)靈活工作，這使得它在不同的應(yīng)用場景中都能發(fā)揮出色的性能。例如，在對采樣速度要求不高但需要高精度的場合，可以選擇較低的采樣率；而在需要快速采集數(shù)據(jù)的場景下，則可以提高采樣率。

2.2 低功耗設(shè)計(jì)

這款轉(zhuǎn)換器具有出色的低功耗特性。在正常工作模式下，使用+3V或+5V電源時(shí)，功耗分別為2.2 mW和7.9 mW。而在掉電模式下，使用+3V電源時(shí)功耗僅為0.14 μW，使用+5V電源時(shí)功耗為0.32 μW。這種低功耗設(shè)計(jì)使得它非常適合應(yīng)用于便攜式系統(tǒng)，能夠有效延長電池的使用時(shí)間。

2.3 高精度性能

從關(guān)鍵指標(biāo)來看，它的DNL（差分非線性）典型值為+0.4 / -0.2 LSB，INL（積分非線性）典型值為± 0.35 LSB，SNR（信噪比）典型值為72.0 dB。這些指標(biāo)表明，ADC124S021在轉(zhuǎn)換過程中能夠保持較高的精度，減少誤差，為后續(xù)的數(shù)字處理提供可靠的數(shù)據(jù)。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 便攜式系統(tǒng)

由于其低功耗和多通道的特性，ADC124S021非常適合應(yīng)用于便攜式系統(tǒng)，如手持醫(yī)療設(shè)備、便攜式數(shù)據(jù)采集儀等。在這些設(shè)備中，需要在有限的電池電量下完成多個(gè)模擬信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換，ADC124S021能夠很好地滿足這一需求。

3.2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集

在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通常需要對多個(gè)傳感器的模擬信號(hào)進(jìn)行采集和傳輸。ADC124S021的多通道設(shè)計(jì)可以同時(shí)處理多個(gè)傳感器的信號(hào)，并且其高速串行接口便于與遠(yuǎn)程傳輸模塊進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

3.3 儀器儀表和控制系統(tǒng)

在儀器儀表和控制系統(tǒng)中，對信號(hào)的采集精度和處理速度要求較高。ADC124S021的高精度和可變采樣率特性能夠滿足不同儀器儀表和控制系統(tǒng)的需求，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

四、引腳說明與等效電路

4.1 模擬輸入引腳（IN1 - IN4）

引腳4 - 7為模擬輸入引腳，這些信號(hào)的范圍可以從0V到VA。在實(shí)際應(yīng)用中，需要注意輸入信號(hào)的幅度不能超過這個(gè)范圍，否則可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換結(jié)果不準(zhǔn)確。

4.2 數(shù)字輸入輸出引腳

• SCLK（引腳10）：數(shù)字時(shí)鐘輸入，直接控制轉(zhuǎn)換和讀出過程。時(shí)鐘信號(hào)的頻率和穩(wěn)定性對轉(zhuǎn)換的精度和速度有重要影響。
• DOUT（引腳9）：數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出，輸出樣本在SCLK引腳的下降沿從該引腳時(shí)鐘輸出。
• DIN（引腳8）：數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸入，ADC124S021的控制寄存器通過該引腳在SCLK引腳的上升沿加載數(shù)據(jù)。
• CS（引腳1）：芯片選擇，在CS的下降沿，轉(zhuǎn)換過程開始。只要CS保持低電平，轉(zhuǎn)換就會(huì)繼續(xù)進(jìn)行。

4.3 電源引腳

• VA（引腳2）：正電源引腳，應(yīng)連接到一個(gè)穩(wěn)定的+2.7V至+5.25V電源，并通過一個(gè)1 μF電容和一個(gè)0.1 μF單片電容旁路到GND，且電容要位于電源引腳1 cm以內(nèi)，以保證電源的穩(wěn)定性。
• GND（引腳3）：電源和信號(hào)的接地返回端。

五、電氣特性

5.1 靜態(tài)特性

ADC124S021的分辨率為12位，無缺失碼。INL、DNL、偏移誤差、通道間偏移誤差匹配、滿量程誤差和通道間滿量程誤差匹配等指標(biāo)都有明確的規(guī)定，這些指標(biāo)反映了轉(zhuǎn)換器在靜態(tài)工作時(shí)的性能。

5.2 動(dòng)態(tài)特性

在動(dòng)態(tài)特性方面，SINAD（信號(hào)與噪聲加失真比）、SNR、THD（總諧波失真）、SFDR（無雜散動(dòng)態(tài)范圍）和ENOB（有效位數(shù)）等指標(biāo)都表明了轉(zhuǎn)換器在處理動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)的能力。例如，SINAD典型值為72 dB，ENOB典型值為11.7位，這些指標(biāo)保證了轉(zhuǎn)換器在處理復(fù)雜信號(hào)時(shí)的準(zhǔn)確性。

5.3 電源特性

電源電壓范圍為2.7V - 5.25V，不同電源電壓下的正常模式和掉電模式的電流和功耗都有詳細(xì)的說明。在設(shè)計(jì)電源電路時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景選擇合適的電源電壓，以平衡功耗和性能。

5.4 交流電氣特性

最大時(shí)鐘頻率范圍為0.8 MHz - 3.2 MHz，采樣率范圍為50 ksps - 200 ksps，轉(zhuǎn)換時(shí)間為13個(gè)SCLK周期，這些指標(biāo)決定了轉(zhuǎn)換器的工作速度和數(shù)據(jù)處理能力。

六、應(yīng)用信息

6.1 工作模式

ADC124S021有跟蹤模式和保持模式。在跟蹤模式下，開關(guān)SW1將采樣電容連接到四個(gè)模擬輸入通道之一，SW2平衡比較器輸入；在保持模式下，SW1將采樣電容連接到地，保持采樣電壓，SW2使比較器失衡，然后控制邏輯指示電荷再分配DAC向采樣電容添加固定量的電荷，直到比較器平衡，此時(shí)DAC的數(shù)字字即為模擬輸入電壓的數(shù)字表示。

6.2 使用方法

CS引腳用于啟動(dòng)轉(zhuǎn)換和幀定界串行數(shù)據(jù)傳輸，SCLK控制轉(zhuǎn)換過程和串行數(shù)據(jù)的時(shí)序，DOUT為串行數(shù)據(jù)輸出引腳，DIN為串行數(shù)據(jù)輸入引腳。每個(gè)串行幀必須包含整數(shù)倍的16個(gè)SCLK上升沿，ADC在CS為高電平時(shí)處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，CS為低電平時(shí)處于活動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)CS還可以作為輸出使能。

6.3 電源管理

ADC124S021在CS為低電平時(shí)完全上電，CS為高電平時(shí)完全掉電，但在兩次轉(zhuǎn)換之間會(huì)自動(dòng)進(jìn)入掉電模式。用戶可以通過減少單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)換次數(shù)來降低功耗，以實(shí)現(xiàn)吞吐量和功耗之間的權(quán)衡。

6.4 電源噪聲考慮

輸出負(fù)載電容的充電和放電會(huì)導(dǎo)致電源電壓的變化，從而影響ADC的SNR和SINAD性能。為了降低電源噪聲的影響，應(yīng)盡量減小輸出負(fù)載電容的大小，如果負(fù)載電容大于35 pF，可以在ADC輸出端使用一個(gè)100 Ω的串聯(lián)電阻。

七、總結(jié)

ADC124S021是一款性能出色的12位A/D轉(zhuǎn)換器，具有多通道、可變采樣率、低功耗、高精度等優(yōu)點(diǎn)，適用于多種應(yīng)用場景。在使用過程中，需要注意引腳的連接、電源的穩(wěn)定性、時(shí)鐘信號(hào)的頻率和穩(wěn)定性等因素，以充分發(fā)揮其性能。同時(shí)，對于電源噪聲和功耗的管理也是設(shè)計(jì)過程中需要重點(diǎn)考慮的問題。希望通過本文的介紹，能夠幫助電子工程師更好地了解和應(yīng)用ADC124S021。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似ADC的問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。