探秘AD7608：18位8通道同步采樣模數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

作為電子工程師，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，總希望找到一款性能卓越、功能全面的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。今天，我們就來深入剖析一款明星產(chǎn)品——AD7608，看看它是如何在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域大放異彩的。

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一、AD7608產(chǎn)品概述

AD7608是一款18位、8通道同步采樣模數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS），它內(nèi)置了模擬輸入箝位保護(hù)、二階抗混疊濾波器、跟蹤保持放大器、18位電荷再分配逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、靈活的數(shù)字濾波器、2.5 V基準(zhǔn)電壓源、基準(zhǔn)電壓緩沖以及高速串行和并行接口。采用5 V單電源供電，能夠處理±10 V和±5 V真雙極性輸入信號(hào)，所有通道均能以高達(dá)200 kSPS的吞吐速率采樣，輸入箝位保護(hù)電路能耐受最高達(dá)±16.5 V的電壓，無論采樣頻率如何，模擬輸入阻抗均為1 MΩ。

二、產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

2.1 多通道同步采樣

AD7608具備8路同步采樣輸入功能，這對(duì)于需要同時(shí)采集多個(gè)模擬信號(hào)的應(yīng)用場(chǎng)景非常重要。比如在電力線監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)中，需要同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)相的電壓和電流信號(hào)，AD7608的同步采樣功能可以確保各個(gè)通道的數(shù)據(jù)在同一時(shí)刻被采集，避免了因采樣時(shí)間不同步而導(dǎo)致的測(cè)量誤差。再如多相電機(jī)控制，同步采集多個(gè)通道的信號(hào)能夠準(zhǔn)確獲取電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)更精確的控制。

2.2 真雙極性輸入范圍

它支持真雙極性模擬輸入范圍，包括±10 V和±5 V，這使得它可以適應(yīng)不同幅度的輸入信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中，不同的信號(hào)源可能輸出不同幅度的信號(hào)，AD7608的這種特性為工程師提供了更大的靈活性，可以直接連接各種信號(hào)源，而無需進(jìn)行復(fù)雜的信號(hào)調(diào)理。

2.3 高度集成設(shè)計(jì)

該產(chǎn)品是一個(gè)完全集成的數(shù)據(jù)采集解決方案，內(nèi)置了模擬輸入箝位保護(hù)、二階抗混疊濾波器、跟蹤保持放大器、ADC、數(shù)字濾波器、基準(zhǔn)電壓源及緩沖等功能模塊。這種高度集成的設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化了電路板的設(shè)計(jì)和布局，減少了外部元件的使用，降低了成本和系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

2.4 模擬輸入特性

2.4.1 高輸入阻抗

AD7608具有1 MΩ的模擬輸入阻抗，且不隨采樣頻率變化。高輸入阻抗意味著它對(duì)信號(hào)源的負(fù)載影響很小，可以直接與信號(hào)源或傳感器相連，無需額外的驅(qū)動(dòng)放大器。這不僅簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，還避免了因驅(qū)動(dòng)放大器引入的噪聲和失真，提高了信號(hào)采集的精度。

2.4.2 箝位保護(hù)

每個(gè)模擬輸入通道都包含箝位保護(hù)電路，允許輸入過壓達(dá)到±16.5 V。在實(shí)際應(yīng)用中，可能會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)過壓的情況，箝位保護(hù)電路可以有效地保護(hù)芯片免受損壞，提高了系統(tǒng)的可靠性。但需要注意的是，過壓箝位保護(hù)不應(yīng)長(zhǎng)期保持活動(dòng)狀態(tài)，否則可能會(huì)影響芯片的性能。

2.4.3 抗混疊濾波器

AD7608內(nèi)置二階抗混疊濾波器，在±5 V范圍內(nèi)，-3dB帶寬典型值為15 kHz；在±10 V范圍內(nèi)，-3dB帶寬典型值為23 kHz。抗混疊濾波器可以有效地抑制高頻噪聲和干擾，防止混疊現(xiàn)象的發(fā)生，保證了信號(hào)采集的準(zhǔn)確性。

2.5 靈活的接口

AD7608提供了靈活的并行/串行接口，支持SPI/QSPI?/MICROWIRE?/DSP兼容。這種靈活的接口設(shè)計(jì)使得它可以方便地與各種數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行連接，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。例如，在與微處理器或FPGA連接時(shí)，可以根據(jù)系統(tǒng)的需求選擇并行接口或串行接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸。

2.6 過采樣功能

通過數(shù)字濾波器提供過采樣功能，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求選擇不同的過采樣倍率。過采樣可以提高信噪比（SNR）和動(dòng)態(tài)范圍，降低3 dB帶寬，從而提高信號(hào)采集的質(zhì)量。在需要高精度測(cè)量的應(yīng)用中，如儀表和控制系統(tǒng)，過采樣功能可以顯著提高測(cè)量的精度。

2.7 低功耗設(shè)計(jì)

AD7608具有低功耗的特點(diǎn)，正常工作時(shí)功耗為100 mW，待機(jī)模式下功耗僅為25 mW。低功耗設(shè)計(jì)不僅可以降低系統(tǒng)的能耗，還可以減少散熱問題，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在一些對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用中，如便攜式設(shè)備，低功耗特性尤為重要。

三、技術(shù)規(guī)格解析

3.1 動(dòng)態(tài)性能

AD7608的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)表現(xiàn)出色。在不同的過采樣條件下，它具有較高的信噪比（SNR）和較低的總諧波失真（THD）。例如，在16倍過采樣、±10 V范圍、f = 130 Hz的條件下，SNR可達(dá)98 dB；無過采樣、±5 V范圍時(shí)，THD可達(dá) -107 dB。這些指標(biāo)表明AD7608在處理模擬信號(hào)時(shí)能夠有效地抑制噪聲和失真，保證了信號(hào)采集的質(zhì)量。

3.2 直流精度

在直流精度方面，AD7608具有18位的分辨率，無失碼現(xiàn)象。其微分非線性（DNL）和積分非線性（INL）都控制在較小的范圍內(nèi)，總不可調(diào)整誤差（TUE）也較小。這些指標(biāo)保證了AD7608在直流信號(hào)測(cè)量時(shí)的準(zhǔn)確性，適用于對(duì)精度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。

3.3 時(shí)序規(guī)格

AD7608的時(shí)序規(guī)格對(duì)于正確使用該芯片至關(guān)重要。在不同的電源電壓和操作模式下，各個(gè)信號(hào)的延遲時(shí)間和脈沖寬度都有明確的規(guī)定。例如，從CS直到DB[15:0]三態(tài)禁用的延遲時(shí)間會(huì)隨著VDRIVE電壓的變化而變化。工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)，需要嚴(yán)格按照時(shí)序規(guī)格來設(shè)計(jì)控制信號(hào)，以確保芯片能夠正常工作。

四、工作原理剖析

4.1 轉(zhuǎn)換器詳解

AD7608采用高速、低功耗、電荷再分配逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），可以對(duì)8個(gè)模擬輸入通道進(jìn)行同步采樣。其模擬輸入可以接受真雙極性輸入信號(hào)，通過RANGE引腳可以選擇±10 V或±5 V的輸入范圍。芯片內(nèi)置了多個(gè)功能模塊，包括輸入箝位保護(hù)、輸入信號(hào)調(diào)整放大器、二階抗混疊濾波器、采樣保持放大器、片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源、基準(zhǔn)電壓緩沖、高速ADC、數(shù)字濾波器以及高速并行和串行接口。

4.2 模擬輸入

4.2.1 輸入范圍選擇

RANGE引腳的邏輯電平?jīng)Q定了所有模擬輸入通道的模擬輸入范圍。當(dāng)RANGE引腳與邏輯高電平相連時(shí)，模擬輸入范圍為±10 V；當(dāng)與邏輯低電平相連時(shí)，模擬輸入范圍為±5 V。需要注意的是，RANGE引腳的邏輯狀態(tài)改變會(huì)立即影響模擬輸入范圍，但還需要約80 μs的建立時(shí)間。建議根據(jù)系統(tǒng)信號(hào)所需的輸入范圍，通過硬連線設(shè)置RANGE引腳。

4.2.2 輸入阻抗

AD7608的模擬輸入阻抗為1 MΩ，這是固定輸入阻抗，不隨采樣頻率變化。高模擬輸入阻抗可免除前端的驅(qū)動(dòng)放大器，允許其與信號(hào)源或傳感器直接相連，同時(shí)去掉了信號(hào)鏈中的雙極性電源，減少了系統(tǒng)中的噪聲源。

4.2.3 箝位保護(hù)

每個(gè)模擬輸入通道都包含箝位保護(hù)電路，允許輸入過壓達(dá)到±16.5 V。當(dāng)輸入電壓超過±16.5 V時(shí)，箝位電路開啟。為了將輸入電壓超過±16.5 V時(shí)的電流限制在±10 mA以下，模擬輸入通道上應(yīng)放置一個(gè)串聯(lián)電阻，并且VxGND通道上也需要一個(gè)與之對(duì)應(yīng)相等的電阻，否則該通道將出現(xiàn)失調(diào)誤差。

4.2.4 抗混疊濾波器

AD7608的模擬抗混疊濾波器為二階巴特沃茲濾波器，在±5 V范圍內(nèi)，-3dB帶寬典型值為15 kHz；在±10 V范圍內(nèi)，-3dB帶寬典型值為23 kHz。該濾波器可以有效地抑制高頻噪聲和干擾，防止混疊現(xiàn)象的發(fā)生。

4.2.5 采樣保持放大器

利用采樣保持放大器，AD7608 ADC可以用18位分辨率精確采集滿量程幅度的輸入正弦波。采樣保持放大器在CONVST x上升沿時(shí)對(duì)其各自輸入進(jìn)行同步采樣，所有八個(gè)采樣保持放大器以及不同器件的采樣保持放大器的孔徑時(shí)間通過設(shè)計(jì)保證嚴(yán)格匹配，允許對(duì)一個(gè)系統(tǒng)中的一個(gè)以上AD7608進(jìn)行同步采樣。

4.3 ADC傳遞函數(shù)

AD7608的輸出編碼方式為二進(jìn)制補(bǔ)碼，所設(shè)計(jì)的碼轉(zhuǎn)換在連續(xù)LSB整數(shù)值的中間進(jìn)行。LSB大小取決于所選的模擬輸入范圍，±10 V范圍時(shí)，1 LSB = 76.29 μV；±5 V范圍時(shí)，1 LSB = 38.14 μV。

4.4 內(nèi)部/外部基準(zhǔn)電壓

AD7608內(nèi)置一個(gè)2.5 V片內(nèi)帶隙基準(zhǔn)電壓源，REFIN/REFOUT引腳既可使用該2.5 V基準(zhǔn)電壓，也允許施加一個(gè)2.5 V外部基準(zhǔn)電壓。REF SELECT引腳允許用戶選擇內(nèi)部基準(zhǔn)電壓或外部基準(zhǔn)電壓。無論使用內(nèi)部還是外部基準(zhǔn)電壓，都需要對(duì)REFIN/REFOUT引腳去耦。

4.5 典型連接圖

在典型連接圖中，AD7608的四個(gè)AVCC電源引腳應(yīng)各使用一個(gè)100 nF去耦電容，并在電源側(cè)使用一個(gè)10 μF電容去耦。REFIN/REFOUT引腳需要用10 μF電容去耦，REFCAPA和REFCAPB引腳短路連在一起，并通過一個(gè)10 μF陶瓷電容來去耦。為AD7608提供電源后，需要對(duì)器件應(yīng)用RESET信號(hào)，以確保將其配置為正確工作模式。

4.6 省電模式

AD7608提供兩種省電模式：待機(jī)模式和關(guān)斷模式。STBY引腳控制AD7608是處在正常模式還是兩種省電模式之一。當(dāng)STBY引腳為低電平時(shí)，RANGE引腳的狀態(tài)決定選擇何種省電模式。待機(jī)模式下，最大功耗為8 mA，上電時(shí)間約為100 μs；關(guān)斷模式下，最大功耗為11 μA，上電時(shí)間約為13 ms（外部基準(zhǔn)電壓模式）。從關(guān)斷模式上電時(shí)，經(jīng)過所需的上電時(shí)間后，必須對(duì)AD7608施加RESET信號(hào)。

4.7 轉(zhuǎn)換控制

4.7.1 所有模擬輸入通道同步采樣

當(dāng)兩個(gè)CONVST x引腳（CONVST A和CONVST B）連在一起時(shí)，所有通道同步采樣。使用一個(gè)CONVST x信號(hào)便可控制兩個(gè)CONVST x輸入，該信號(hào)的上升沿啟動(dòng)對(duì)所有模擬輸入通道的同步采樣。AD7608內(nèi)置一個(gè)片內(nèi)振蕩器用于轉(zhuǎn)換，所有ADC通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間為tCONV。BUSY信號(hào)告知用戶正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換，BUSY下降沿表示轉(zhuǎn)換過程結(jié)束，此時(shí)可以從并行總線或串行數(shù)據(jù)線路讀取新數(shù)據(jù)。

4.7.2 兩組通道同步采樣

AD7608還允許模擬輸入通道分兩組進(jìn)行同步采樣，這可以用在電力線保護(hù)和測(cè)量系統(tǒng)中，以補(bǔ)償PT和CT變壓器所引入的相位差。通過脈沖獨(dú)立激活兩個(gè)CONVST x引腳，并且只有在不使用過采樣時(shí)，才可實(shí)現(xiàn)這種采樣方式。CONVST A用來啟動(dòng)對(duì)第一組通道的同步采樣（V1至V4）；CONVST B用來啟動(dòng)對(duì)第二組模擬輸入通道的同步采樣（V5至V8）。

4.8 數(shù)字接口

4.8.1 并行接口（PAR/SER SEL = 0）

通過并行總線讀取數(shù)據(jù)時(shí)，需將PAR/SER SEL引腳和低電平相連。通過內(nèi)部選通CS和RD輸入信號(hào)，可以將轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出到數(shù)據(jù)總線。當(dāng)CS和RD同時(shí)處于邏輯低電平時(shí)，數(shù)據(jù)線DB15至DB0不再呈高阻態(tài)。需要兩個(gè)RD脈沖以讀取每個(gè)通道的全部18位轉(zhuǎn)換結(jié)果。

4.8.2 串行接口（PAR/SER SEL = 1）

若要通過串行接口從AD7608回讀數(shù)據(jù)，PAR/SER SEL引腳應(yīng)連接高電平。CS和SCLK信號(hào)用來傳輸AD7608的數(shù)據(jù)。AD7608有兩個(gè)串行數(shù)據(jù)輸出引腳：DOUTA和DOUTB?？赏ㄟ^單或雙Dout線路從AD7608回讀數(shù)據(jù)。

4.8.3 轉(zhuǎn)換期間讀取

當(dāng)BUSY為高電平，轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行時(shí)，也可以從AD7608讀取數(shù)據(jù)，這幾乎不會(huì)影響轉(zhuǎn)換器的性能，而且可以實(shí)現(xiàn)更快的吞吐速率。轉(zhuǎn)換期間可以執(zhí)行并行或串行讀取，可以使用或不用過采樣。

4.9 數(shù)字濾波器

AD7608內(nèi)置一個(gè)可選的數(shù)字一階sinc濾波器，過采樣倍率由過采樣引腳OS [2:0]控制。開啟過采樣時(shí)，CONVST A和CONVST B引腳必須連在一起驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)換過程中BUSY保持高電平的時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)。過采樣可以提高SNR性能，但會(huì)降低3 dB帶寬和容許的采樣頻率。

五、布局指南

5.1 電路板設(shè)計(jì)

安裝AD7608所用的印刷電路板應(yīng)采用模擬部分與數(shù)字部分分離設(shè)計(jì)，并限制在電路板的不同區(qū)域內(nèi)。至少使用一個(gè)接地層，數(shù)字和模擬部分可以共用或分割使用接地層。在使用分割的地層時(shí)，數(shù)字地和模擬地應(yīng)單點(diǎn)連接，單點(diǎn)接地點(diǎn)最好盡可能靠近AD7608。

5.2 布線注意事項(xiàng)

應(yīng)避免在器件下方布設(shè)數(shù)字線路，以免將噪聲耦合至芯片?？焖偾袚Q信號(hào)要使用數(shù)字地加以屏蔽，避免數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)交疊。電路板鄰近層上的走線應(yīng)彼此垂直，以減小電路板的饋通效應(yīng)。

5.3 電源和去耦

AD7608上AVcc和VDRIVE引腳的電源線路應(yīng)采用盡可能寬的走線，以提供低阻抗路徑，并減小電源線路上的毛刺噪聲影響。各電源引腳應(yīng)使用單個(gè)過孔或多個(gè)過孔。去耦電容應(yīng)靠近（理想情況是緊靠）這些引腳及其對(duì)應(yīng)接地引腳放置。

5.4 多器件布局

在內(nèi)置多個(gè)AD7608器件的系統(tǒng)中，為確保器件之間的性能匹配良好，這些器件必須采用對(duì)稱布局。例如，AVcc電壓平面沿器件的一側(cè)布設(shè)，VDRIVE電源走線沿另一側(cè)布設(shè)，基準(zhǔn)電壓芯片位于器件之間，基準(zhǔn)電壓走線沿南北方向布設(shè)。

六、總結(jié)與展望

AD7608作為一款高性能的8通道DAS，具有多通道同步采樣、真雙極性輸入范圍、高度集成、靈活接口、過采樣功能和低功耗等諸多優(yōu)點(diǎn)。其出色的動(dòng)態(tài)性能和直流精度使其在電力線監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)、多相電機(jī)控制、儀表和控制系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的需求和場(chǎng)景，合理選擇輸入范圍、接口模式和過采樣倍率等參數(shù)，并嚴(yán)格按照布局指南進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)和布線，以充分發(fā)揮AD7608的性能優(yōu)勢(shì)。未來，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，AD7608可能會(huì)在更高精度、更低功耗和更集成化等方面進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)，為電子工程師提供更強(qiáng)大的工具。

你在使用AD7608的過程中，是否也遇到過一些挑戰(zhàn)和問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。