深入剖析ADC0831-N/ADC0832-N/ADC0834-N/ADC0838-N 8位串行I/O A/D轉(zhuǎn)換器

在電子工程師的日常工作中，A/D轉(zhuǎn)換器是一個(gè)非常重要的組件，它負(fù)責(zé)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)模擬世界與數(shù)字世界的橋梁搭建。德州儀器（TI）推出的ADC0831-N、ADC0832-N、ADC0834-N和ADC0838-N這一系列8位串行I/O A/D轉(zhuǎn)換器，憑借其獨(dú)特的特性和廣泛的應(yīng)用場景，成為了許多工程師的首選。今天，我們就來詳細(xì)剖析一下這一系列轉(zhuǎn)換器。

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一、核心特性與關(guān)鍵參數(shù)

1. 性能特性亮點(diǎn)

• 分辨率與誤差控制：這一系列產(chǎn)品具有8位的分辨率，能夠滿足大多數(shù)常見應(yīng)用場景的精度需求。其總未調(diào)整誤差為±? LSB和±1 LSB，在單電源5V DC的供電條件下，能夠保證轉(zhuǎn)換的相對(duì)準(zhǔn)確性。
• 低功耗與快速轉(zhuǎn)換：低功耗是它們的一大優(yōu)勢，功耗僅為15 mW，這對(duì)于一些對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用，如電池供電設(shè)備，非常友好。同時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32 μs，能夠快速完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
• 接口靈活性：這些轉(zhuǎn)換器與TI MICROWIRE兼容，可以直接與COPS系列處理器接口，也能輕松與所有微處理器進(jìn)行接口，甚至可以獨(dú)立工作。這種靈活性使得它們在不同的系統(tǒng)架構(gòu)中都能很好地融入。
• 輸入范圍與參考電壓：輸入范圍為0V到5V，采用單5V電源供電。并且可以采用比例式操作或使用5V DC電壓參考，無需進(jìn)行零位或滿量程調(diào)整，簡化了設(shè)計(jì)過程。

2. 關(guān)鍵參數(shù)一覽

二、詳細(xì)功能解析

1. 多路復(fù)用器尋址

這一系列轉(zhuǎn)換器采用了獨(dú)特的輸入多路復(fù)用方案，提供了2、4或8通道的多路復(fù)用選項(xiàng)，并且可以通過軟件配置為單端、差分或偽差分輸入。這種靈活性大大簡化了基于傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中所需的模擬信號(hào)調(diào)理。

• 單端和差分輸入配置：在單端輸入模式下，每個(gè)通道獨(dú)立進(jìn)行轉(zhuǎn)換；在差分輸入模式下，能夠增加共模抑制比，提高抗干擾能力。例如，在ADC0838-N中，其8通道的單端和差分輸入模式都有詳細(xì)的MUX尋址代碼表可供參考。
• 通道選擇與極性分配：在轉(zhuǎn)換開始前的MUX尋址序列中，可以選擇啟用哪些模擬輸入通道，并確定輸入是單端還是差分，以及差分模式下通道的極性。不過，差分輸入僅限于相鄰的通道對(duì)。

2. 數(shù)字接口

數(shù)字接口是這一系列轉(zhuǎn)換器的重要特性之一。通過串行通信格式，不僅可以在不增加封裝尺寸的情況下，在轉(zhuǎn)換器封裝中集成更多功能，還能通過將轉(zhuǎn)換器直接放置在模擬傳感器處，消除低電平模擬信號(hào)的傳輸，將高度抗噪的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸回主處理器。

• 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)與數(shù)據(jù)傳輸：轉(zhuǎn)換通過拉低CS（芯片選擇）線啟動(dòng)，該線在整個(gè)轉(zhuǎn)換過程中必須保持低電平。處理器生成時(shí)鐘信號(hào)并輸出到A/D時(shí)鐘輸入，在時(shí)鐘的上升沿，數(shù)據(jù)輸入（DI）線的狀態(tài)被時(shí)鐘輸入到MUX地址移位寄存器。轉(zhuǎn)換完成后，數(shù)據(jù)輸出（DO）線輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果，默認(rèn)是MSB（最高有效位）先輸出，也可以選擇LSB（最低有效位）先輸出（ADC0831-N除外）。

3. 參考電壓考慮

參考電壓對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換器的性能至關(guān)重要。這一系列轉(zhuǎn)換器的參考輸入電壓定義了模擬輸入的電壓范圍，即256種可能輸出代碼所適用的范圍。

• 比例式應(yīng)用與絕對(duì)精度應(yīng)用：在比例式系統(tǒng)中，模擬輸入電壓與A/D參考電壓成比例，通常可以將VREF引腳連接到VCC。而對(duì)于需要絕對(duì)精度的應(yīng)用，參考引腳應(yīng)連接到時(shí)間和溫度穩(wěn)定的電壓源，如LM385和LM336參考二極管。
• 參考電壓限制：參考電壓的最大值受限于VCC電源電壓，最小值可以很小，以允許直接轉(zhuǎn)換輸出跨度小于5V的傳感器輸出。但在使用較小跨度時(shí)，需要特別注意噪聲拾取、電路布局和系統(tǒng)誤差電壓源。

4. 模擬輸入處理

這些轉(zhuǎn)換器的一大優(yōu)勢是可以直接放置在模擬信號(hào)源處，通過幾根電線與控制處理器進(jìn)行通信，大大減少了為保持模擬信號(hào)精度而需要的電路，降低了噪聲拾取的影響。

• 差分輸入抗噪：差分輸入能夠有效降低共模輸入噪聲的影響。不過，由于模擬輸入的采樣特性，在實(shí)際轉(zhuǎn)換過程中，時(shí)鐘邊緣會(huì)有短電流尖峰進(jìn)入“+”輸入并從“-”輸入流出。為了避免這些電流對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果產(chǎn)生影響，當(dāng)信號(hào)源電阻大于1 kΩ時(shí)，不建議使用旁路電容。
• 高阻抗信號(hào)源處理：如果需要處理高阻抗信號(hào)源，可以使用運(yùn)算放大器RC有源低通濾波器，它既能提供阻抗緩沖，又能進(jìn)行噪聲濾波。

5. 可選調(diào)整

• 零誤差調(diào)整：A/D的零點(diǎn)通常不需要調(diào)整，但如果最小模擬輸入電壓值不是地，可以通過偏置VIN(-)輸入來實(shí)現(xiàn)零偏移。零誤差是指實(shí)際直流輸入電壓與理想的? LSB值之間的差異。
• 滿量程調(diào)整：滿量程調(diào)整可以通過施加一個(gè)比所需模擬滿量程電壓范圍低1 ? LSB的差分輸入電壓，然后調(diào)整VREF輸入（或ADC0832的VCC）的幅度，使數(shù)字輸出代碼從1111 1110變?yōu)?111 1111。
• 任意模擬輸入電壓范圍調(diào)整：當(dāng)A/D的模擬零電壓偏離地時(shí)，需要先正確調(diào)整新的零參考，然后進(jìn)行滿量程調(diào)整。具體方法是通過施加特定的VIN(+)電壓，并調(diào)整VREF（或VCC）電壓，使輸出代碼發(fā)生相應(yīng)的變化。

6. 電源設(shè)計(jì)

ADC0838-N和ADC0834-N具有獨(dú)特的電源設(shè)計(jì)，包含一個(gè)從V+端子連接到地的齊納二極管，該二極管通過一個(gè)硅二極管連接到VCC端子。

• 齊納二極管的作用：齊納二極管可以用作并聯(lián)電壓調(diào)節(jié)器，消除了對(duì)任何額外調(diào)節(jié)組件的需求，這對(duì)于轉(zhuǎn)換器需要遠(yuǎn)離系統(tǒng)電源的應(yīng)用非常有用。
• 從時(shí)鐘獲取電源：通過互連二極管，可以將轉(zhuǎn)換器的VCC電源從時(shí)鐘中獲取。由于A/D的低電流要求和相對(duì)較高的時(shí)鐘頻率，可以使用小值濾波電容來保持VCC線上的紋波低于? LSB。

三、典型應(yīng)用案例

1. 溫度補(bǔ)償參考應(yīng)用

在一些對(duì)溫度敏感的應(yīng)用中，如溫度傳感器，使用溫度補(bǔ)償參考可以提高測量的準(zhǔn)確性。通過合理配置ADC083x系列轉(zhuǎn)換器的參考電壓和輸入通道，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度變化的有效補(bǔ)償。

2. 遠(yuǎn)程傳感應(yīng)用

由于這些轉(zhuǎn)換器可以通過串行通信與控制處理器進(jìn)行通信，并且具有低功耗和抗噪能力，非常適合用于遠(yuǎn)程傳感應(yīng)用，如遠(yuǎn)程溫度傳感器、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集等。在這些應(yīng)用中，轉(zhuǎn)換器可以直接放置在傳感器附近，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后再傳輸回主處理器，減少了模擬信號(hào)傳輸過程中的噪聲干擾。

3. 電流數(shù)字化應(yīng)用

在需要對(duì)電流進(jìn)行數(shù)字化測量的應(yīng)用中，如電力監(jiān)測、電池管理等，可以使用ADC083x系列轉(zhuǎn)換器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。通過合理設(shè)計(jì)輸入電路和參考電壓，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同范圍電流的準(zhǔn)確測量。

4. 提高分辨率應(yīng)用

雖然這些轉(zhuǎn)換器本身是8位分辨率，但通過一些特殊的方法，可以實(shí)現(xiàn)更高的分辨率，如9位或10位A/D轉(zhuǎn)換。例如，通過控制器確定輸入極性或通道對(duì)，提供額外的位信息，從而提高整體分辨率。

四、總結(jié)與思考

ADC0831-N、ADC0832-N、ADC0834-N和ADC0838-N這一系列8位串行I/O A/D轉(zhuǎn)換器以其豐富的特性、靈活的功能和廣泛的應(yīng)用場景，為電子工程師提供了一個(gè)強(qiáng)大的工具。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇型號(hào)，并注意參考電壓、模擬輸入處理、電源設(shè)計(jì)等方面的問題。同時(shí)，我們也可以通過不斷探索和嘗試，挖掘這些轉(zhuǎn)換器的更多潛力，為我們的電子設(shè)計(jì)帶來更多的可能性。大家在使用這一系列轉(zhuǎn)換器的過程中，有沒有遇到過什么特別的問題或者有什么獨(dú)特的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)?？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。