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)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時，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、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基準電壓源、基準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，所有通道均能以高達200 kSPS的吞吐速率采樣，輸入箝位保護電路能耐受最高達±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

2.1 多通道同步采樣

AD7608具備8路同步采樣輸入功能，這對于需要同時采集多個模擬信號的應(yīng)用場景非常重要。比如在電力線監(jiān)控和保護系統(tǒng)中，需要同時監(jiān)測多個相的電壓和電流信號，AD7608的同步采樣功能可以確保各個通道的數(shù)據(jù)在同一時刻被采集，避免了因采樣時間不同步而導致的測量誤差。再如多相電機控制，同步采集多個通道的信號能夠準確獲取電機的運行狀態(tài)，實現(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。在實際應(yīng)用中，不同的信號源可能輸出不同幅度的信號，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源，而無需進行復雜的信號調(diào)理。

2.3 高度集成設(shè)計

該產(chǎn)品是一個完全集成的數(shù)據(jù)采集解決方案，內(nèi)置了模擬輸入箝位保護、二階抗混疊濾波器、跟蹤保持放大器、ADC、數(shù)字濾波器、基準電壓源及緩沖等功能模塊。這種高度集成的設(shè)計大大簡化了電路板的設(shè)計和布局，減少了外部元件的使用，降低了成本和系統(tǒng)的復雜性，同時也提高了系統(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信號源的負載影響很小，可以直接與信號源或傳感器相連，無需額外的驅(qū)動放大器。這不僅簡化了電路設(shè)計，還避免了因驅(qū)動放大器引入的噪聲和失真，提高了信號采集的精度。

2.4.2 箝位保護

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

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?？够殳B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，保證了信號采集的準確性。

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)計使得它可以方便地與各種數(shù)字系統(tǒng)進行連接，滿足不同應(yīng)用場景的需求。例如，在與微處理器或FPGA連接時，可以根據(jù)系統(tǒng)的需求選擇并行接口或串行接口，實現(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）和動態(tài)范圍，降低3 dB帶寬，從而提高信號采集的質(zhì)量。在需要高精度測量的應(yīng)用中，如儀表和控制系統(tǒng)，過采樣功能可以顯著提高測量的精度。

2.7 低功耗設(shè)計

AD7608具有低功耗的特點，正常工作時功耗為100 mW，待機模式下功耗僅為25 mW。低功耗設(shè)計不僅可以降低系統(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 動態(tài)性能

AD7608的動態(tài)性能指標表現(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98 dB；無過采樣、±5 V范圍時，THD可達 -107 dB。這些指標表明AD7608在處理模擬信號時能夠有效地抑制噪聲和失真，保證了信號采集的質(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。這些指標保證了AD7608在直流信號測量時的準確性，適用于對精度要求較高的應(yīng)用場景。

3.3 時序規(guī)格

AD7608的時序規(guī)格對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，各個信號的延遲時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)禁用的延遲時間會隨著VDRIVE電壓的變化而變化。工程師在設(shè)計電路時，需要嚴格按照時序規(guī)格來設(shè)計控制信號，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8個模擬輸入通道進行同步采樣。其模擬輸入可以接受真雙極性輸入信號，通過RANGE引腳可以選擇±10 V或±5 V的輸入范圍。芯片內(nèi)置了多個功能模塊，包括輸入箝位保護、輸入信號調(diào)整放大器、二階抗混疊濾波器、采樣保持放大器、片內(nèi)基準電壓源、基準電壓緩沖、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RANGE引腳與邏輯高電平相連時，模擬輸入范圍為±10 V；當與邏輯低電平相連時，模擬輸入范圍為±5 V。需要注意的是，RANGE引腳的邏輯狀態(tài)改變會立即影響模擬輸入范圍，但還需要約80 μs的建立時間。建議根據(jù)系統(tǒng)信號所需的輸入范圍，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)動放大器，允許其與信號源或傳感器直接相連，同時去掉了信號鏈中的雙極性電源，減少了系統(tǒng)中的噪聲源。

4.2.3 箝位保護

每個模擬輸入通道都包含箝位保護電路，允許輸入過壓達到±16.5 V。當輸入電壓超過±16.5 V時，箝位電路開啟。為了將輸入電壓超過±16.5 V時的電流限制在±10 mA以下，模擬輸入通道上應(yīng)放置一個串聯(lián)電阻，并且VxGND通道上也需要一個與之對應(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上升沿時對其各自輸入進行同步采樣，所有八個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間通過設(shè)計保證嚴格匹配，允許對一個系統(tǒng)中的一個以上AD7608進行同步采樣。

4.3 ADC傳遞函數(shù)

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

4.4 內(nèi)部/外部基準電壓

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

4.5 典型連接圖

在典型連接圖中，AD7608的四個AVCC電源引腳應(yīng)各使用一個100 nF去耦電容，并在電源側(cè)使用一個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10 μF陶瓷電容來去耦。為AD7608提供電源后，需要對器件應(yīng)用RESET信號，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STBY引腳為低電平時，RANGE引腳的狀態(tài)決定選擇何種省電模式。待機模式下，最大功耗為8 mA，上電時間約為100 μs；關(guān)斷模式下，最大功耗為11 μA，上電時間約為13 ms（外部基準電壓模式）。從關(guān)斷模式上電時，經(jīng)過所需的上電時間后，必須對AD7608施加RESET信號。

4.7 轉(zhuǎn)換控制

4.7.1 所有模擬輸入通道同步采樣

當兩個CONVST x引腳（CONVST A和CONVST B）連在一起時，所有通道同步采樣。使用一個CONVST x信號便可控制兩個CONVST x輸入，該信號的上升沿啟動對所有模擬輸入通道的同步采樣。AD7608內(nèi)置一個片內(nèi)振蕩器用于轉(zhuǎn)換，所有ADC通道的轉(zhuǎn)換時間為tCONV。BUSY信號告知用戶正在進行轉(zhuǎn)換，BUSY下降沿表示轉(zhuǎn)換過程結(jié)束，此時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行同步采樣，這可以用在電力線保護和測量系統(tǒng)中，以補償PT和CT變壓器所引入的相位差。通過脈沖獨立激活兩個CONVST x引腳，并且只有在不使用過采樣時，才可實現(xiàn)這種采樣方式。CONVST A用來啟動對第一組通道的同步采樣（V1至V4）；CONVST B用來啟動對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，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，可以將轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出到數(shù)據(jù)總線。當CS和RD同時處于邏輯低電平時，數(shù)據(jù)線DB15至DB0不再呈高阻態(tài)。需要兩個RD脈沖以讀取每個通道的全部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信號用來傳輸AD7608的數(shù)據(jù)。AD7608有兩個串行數(shù)據(jù)輸出引腳：DOUTA和DOUTB。可通過單或雙Dout線路從AD7608回讀數(shù)據(jù)。

4.8.3 轉(zhuǎn)換期間讀取

當BUSY為高電平，轉(zhuǎn)換正在進行時，也可以從AD7608讀取數(shù)據(jù)，這幾乎不會影響轉(zhuǎn)換器的性能，而且可以實現(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，CONVST A和CONVST B引腳必須連在一起驅(qū)動，轉(zhuǎn)換過程中BUSY保持高電平的時間會延長。過采樣可以提高SNR性能，但會降低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

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，并限制在電路板的不同區(qū)域內(nèi)。至少使用一個接地層，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，數(shù)字地和模擬地應(yīng)單點連接，單點接地點最好盡可能靠近AD7608。

5.2 布線注意事項

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信號要使用數(shù)字地加以屏蔽，避免數(shù)字信號與模擬信號交疊。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)使用單個過孔或多個過孔。去耦電容應(yīng)靠近（理想情況是緊靠）這些引腳及其對應(yīng)接地引腳放置。

5.4 多器件布局

在內(nèi)置多個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)，基準電壓芯片位于器件之間，基準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。其出色的動態(tài)性能和直流精度使其在電力線監(jiān)控和保護系統(tǒng)、多相電機控制、儀表和控制系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

在實際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的需求和場景，合理選擇輸入范圍、接口模式和過采樣倍率等參數(shù)，并嚴格按照布局指南進行電路板設(shè)計和布線，以充分發(fā)揮AD7608的性能優(yōu)勢。未來，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，AD7608可能會在更高精度、更低功耗和更集成化等方面進行進一步的優(yōu)化和改進，為電子工程師提供更強大的工具。

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