深入解析MAX115/MAX116：2x4通道同步采樣12位ADC

在電子設(shè)計領(lǐng)域，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是連接模擬世界和數(shù)字世界的關(guān)鍵橋梁。今天，我們要深入探討的是Maxim公司的MAX115/MAX116，這兩款2x4通道同步采樣12位ADC在眾多應(yīng)用場景中展現(xiàn)出了卓越的性能。

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一、產(chǎn)品概述

MAX115/MAX116是高速、多通道、12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS），具備同步采樣保持（T/H）功能。它們集成了12位、2μs的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、+2.5V參考電壓、緩沖參考輸入以及一組四個同步采樣T/H放大器，能有效保留采樣輸入的相對相位信息。每個T/H有兩個多路復(fù)用輸入，總共提供八個輸入通道。此外，轉(zhuǎn)換器具有±17V的過壓耐受性，任何通道的故障都不會損壞IC。MAX115的輸入范圍為±5V，MAX116為±2.5V。其并行接口的數(shù)據(jù)訪問和總線釋放時序規(guī)范與大多數(shù)流行的數(shù)字信號處理器和16位/32位微處理器兼容，無需等待狀態(tài)即可訪問轉(zhuǎn)換結(jié)果。

二、應(yīng)用場景

MAX115/MAX116的應(yīng)用十分廣泛，主要包括以下幾個方面：

1. 多相電機控制：在矢量電機控制中，需要監(jiān)測各個相電流。MAX115/MAX116可以同時采樣兩個電流（如CH1A和CH2A），并保留必要的相對相位信息。通過坐標變換，只需數(shù)字化兩個相電流，就可以數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出第三個相電流。同時，還可以通過測量兩個相電壓（CH3A、CH4A）獲取電壓（位置）反饋，并且可以利用額外的通道評估其他模擬輸入，如主直流母線電壓、溫度傳感器等。
2. 電網(wǎng)同步：在電網(wǎng)系統(tǒng)中，需要精確測量電壓和電流的相位和幅值，以實現(xiàn)電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。MAX115/MAX116的同步采樣功能和高精度轉(zhuǎn)換能力，可以滿足電網(wǎng)同步對數(shù)據(jù)采集的要求。
3. 功率因數(shù)監(jiān)測：通過對電壓和電流的同步采樣和分析，可以準確計算功率因數(shù)，為電力系統(tǒng)的節(jié)能和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。
4. 數(shù)字信號處理：在數(shù)字信號處理系統(tǒng)中，需要對模擬信號進行高速、高精度的采樣和轉(zhuǎn)換。MAX115/MAX116的高速轉(zhuǎn)換和多通道同步采樣能力，可以為數(shù)字信號處理提供高質(zhì)量的輸入數(shù)據(jù)。
5. 振動和波形分析：對于振動和波形分析，需要快速、準確地采集信號的波形信息。MAX115/MAX116的高速采樣和高分辨率轉(zhuǎn)換，可以滿足振動和波形分析對數(shù)據(jù)采集的要求。

三、產(chǎn)品特性

3.1 同步采樣T/H放大器

MAX115/MAX116擁有四個同步采樣T/H放大器，每個T/H有兩個多路復(fù)用輸入，總共提供八個單端輸入。這種設(shè)計允許同時采樣多個信號，并保留它們的相對相位信息，對于需要精確測量多個信號之間相位關(guān)系的應(yīng)用非常有用。

3.2 高速轉(zhuǎn)換

每個通道的轉(zhuǎn)換時間為2μs，吞吐量根據(jù)通道數(shù)量的不同而有所變化。在單通道模式下，吞吐量可達390ksps；雙通道模式下為218ksps；三通道模式下為152ksps；四通道模式下為116ksps。這種高速轉(zhuǎn)換能力使得MAX115/MAX116能夠處理快速變化的信號。

3.3 寬輸入范圍

MAX115的輸入范圍為±5V，MAX116為±2.5V，可以滿足不同應(yīng)用場景對輸入信號范圍的要求。同時，輸入保護結(jié)構(gòu)允許輸入電壓達到±17V而不會損壞IC，提高了產(chǎn)品的可靠性。

3.4 故障保護

輸入多路復(fù)用器具有±17V的過壓保護功能，任何通道的故障都不會損壞IC，增強了產(chǎn)品在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性。

3.5 內(nèi)部參考或外部參考

可以選擇使用內(nèi)部+2.5V參考電壓或外部參考電壓。內(nèi)部參考使用方便，外部參考則可以在寬溫度范圍內(nèi)提供更高的精度。

3.6 可編程片上序列器

內(nèi)部微序列器可以編程為每次轉(zhuǎn)換一個、兩個、三個或四個通道，提供了靈活的配置選項。

3.7 高速并行DSP接口

并行接口的數(shù)據(jù)訪問和總線釋放時序規(guī)范與大多數(shù)流行的數(shù)字信號處理器和16位/32位微處理器兼容，方便與其他數(shù)字系統(tǒng)集成。

3.8 內(nèi)部時鐘

內(nèi)部時鐘頻率為10MHz（典型值），也可以使用外部時鐘，時鐘輸入的占空比要求在30%到70%之間。

四、電氣特性

4.1 直流精度

• 分辨率：所有通道的分辨率為12位，能夠提供較高的測量精度。
• 積分非線性（INL）：典型值為0.6 LSB，最大值為±1 LSB，反映了模擬值與理論值的偏差。
• 差分非線性（DNL）：典型值為0.6 LSB，最大值為±1 LSB，體現(xiàn)了相鄰代碼之間的差異。
• 雙極性零誤差：在不同溫度范圍內(nèi)，MAX115和MAX116的雙極性零誤差有所不同，例如在TA = +25°C時，MAX115的雙極性零誤差為±5mV，MAX116為±5mV。
• 增益誤差：同樣在不同溫度下，MAX115和MAX116的增益誤差也有相應(yīng)的規(guī)定，如在TA = +25°C時，MAX115的增益誤差為±5mV，MAX116為±5mV。

4.2 動態(tài)性能

• 信噪比（SNR）：在fCLK = 16MHz，fIN = 10.06kHz的條件下，典型值為69dB，反映了信號與噪聲的比例關(guān)系。
• 總諧波失真（THD）：典型值小于 -80dB，體現(xiàn)了信號的失真程度。
• 無雜散動態(tài)范圍（SFDR）：典型值為80dB，衡量了信號中雜散信號的強度。
• 通道間隔離度：典型值為80dB，表明不同通道之間的干擾程度較小。

4.3 模擬輸入特性

• 輸入電壓范圍：MAX115為±5V，MAX116為±2.5V。
• 輸入電流：MAX115在 -5V至 +5V范圍內(nèi)的輸入電流為±625μA，MAX116在 -2.5V至 +2.5V范圍內(nèi)的輸入電流為±15μA。
• 輸入電容：為16pF。

4.4 跟蹤/保持特性

• 采集時間：為600ns，確保能夠快速準確地采集輸入信號。
• 小信號帶寬：為10MHz，能夠處理較高頻率的信號。
• 全功率帶寬：為1.3MHz。
• 下降率：為2mV/ms。
• 孔徑延遲：典型值為10ns。
• 孔徑抖動：為30ps。
• 孔徑延遲匹配：為500ps，保證了多個通道之間的同步性。

4.5 參考輸出特性

• 輸出電壓：在TA = +25°C時，典型值為2.5V，范圍為2.462V至2.532V。
• 外部負載調(diào)節(jié)：在0 < IREF < 1mA的條件下，為0.5mV/mA。
• REFOUT溫度系數(shù)：為30ppm/°C。
• 外部電容旁路：REFIN處需要0.1μF的電容，REFOUT處需要4.7 - 22μF的電容。

4.6 參考輸入特性

• 輸入電壓范圍：為2.40V至2.60V。
• 輸入電流：為±50μA。
• 輸入電阻：為10kΩ。
• 輸入電容：為10pF。

4.7 時鐘特性

• 外部時鐘頻率：為16MHz。
• 內(nèi)部時鐘頻率：范圍為5.6MHz至14.8MHz，典型值為10MHz。

4.8 數(shù)字輸入輸出特性

• 數(shù)字輸入：輸入高電壓VIH為2.4V，輸入低電壓VIL為0.8V，輸入電流IIN為±10μA，輸入電容CIN為15pF。
• 數(shù)字輸出：輸出高電壓VOH在lOUT = 1mA時為4V，輸出低電壓VOL在loUT = -1.6mA時為0.4V，三態(tài)泄漏電流為±10μA，三態(tài)輸出電容為10pF。

4.9 電源要求

• 正電源電壓：AVDD范圍為4.75V至5.25V。
• 負電源電壓：AVSS范圍為 -5.25V至 -4.75V。
• 數(shù)字電源電壓：DVDD范圍為4.75V至5.25V。
• 正電源電流：IAVDD典型值為17mA，最大值為25mA。
• 負電源電流：IAVSS典型值為 -15mA，最小值為 -20mA。
• 數(shù)字電源電流：典型值為3mA，最大值為6mA。
• 關(guān)斷正電流：典型值為1μA。
• 關(guān)斷負電流：典型值為 -1μA。
• 關(guān)斷數(shù)字電流：典型值為13μA。
• 正電源抑制比（PSRR+）：為±1 LSB。
• 負電源抑制比（PSRR -）：為±1 LSB。
• 功耗：典型值為175mW。

五、引腳配置和功能

5.1 引腳配置

5.2 引腳功能詳解

• 模擬輸入引腳（CHxA、CHxB）：用于連接外部模擬信號，每個通道有兩個多路復(fù)用輸入，可提供總共八個單端輸入。
• 電源引腳（AVDD、AVSS、DVDD、DGND）：AVDD和AVSS為模擬電源，DVDD和DGND為數(shù)字電源，為芯片提供必要的電源供應(yīng)。
• 參考引腳（REFIN、REFOUT）：REFIN用于連接外部參考電壓或輸出內(nèi)部參考電壓，REFOUT為參考緩沖輸出，需要適當?shù)碾娙菖月芬员ＷC參考電壓的穩(wěn)定。
• 數(shù)據(jù)和地址引腳（D0 - D11、A0 - A3）：D0 - D11為數(shù)據(jù)位，用于傳輸轉(zhuǎn)換后的數(shù)字數(shù)據(jù)；A0 - A3為地址位，用于選擇轉(zhuǎn)換通道和編程工作模式。
• 控制引腳（CS、WR、RD、CONVST、INT）：CS為芯片選擇信號，WR和RD分別為寫和讀控制信號，CONVST用于啟動轉(zhuǎn)換，INT用于指示轉(zhuǎn)換結(jié)束。
• 時鐘引腳（CLK）：可選擇內(nèi)部時鐘或外部時鐘，通過連接CLK到DVDD激活內(nèi)部時鐘。

六、工作原理

6.1 轉(zhuǎn)換技術(shù)

MAX115/MAX116采用逐次逼近型轉(zhuǎn)換技術(shù)，結(jié)合四個同步采樣T/H放大器，將模擬信號轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字輸出。每個T/H放大器有兩個多路復(fù)用輸入，允許總共八個輸入。T/H放大器在CONVST信號的上升沿保持輸入電壓，然后ADC對每個T/H輸出進行轉(zhuǎn)換，并將結(jié)果存儲在內(nèi)部4 x 12位存儲器中。

6.2 轉(zhuǎn)換時序和控制

轉(zhuǎn)換時序和控制序列由內(nèi)部或外部時鐘、CONVST信號和編程模式?jīng)Q定。CONVST信號的上升沿啟動采樣和轉(zhuǎn)換序列，在轉(zhuǎn)換完成之前，額外的CONVST脈沖將被忽略。片上序列器可以根據(jù)編程模式，每次轉(zhuǎn)換一個到四個通道。默認模式下，轉(zhuǎn)換一個T/H輸出（CH1A），轉(zhuǎn)換完成后會產(chǎn)生一個中斷信號（INT）。通過雙向并行接口重新編程，可以選擇轉(zhuǎn)換兩個到四個通道。

6.3 數(shù)據(jù)訪問

轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在內(nèi)部存儲器中，可以通過對RD引腳施加連續(xù)脈沖來訪問數(shù)據(jù)。連續(xù)讀取操作將按順序訪問數(shù)據(jù)字，存儲器不是隨機訪問的，CH1的數(shù)據(jù)總是首先被讀取。在進行四次連續(xù)讀取或啟動新的轉(zhuǎn)換后，地址指針將重新選擇CH1。

6.4 編程模式

MAX115/MAX116有八種轉(zhuǎn)換模式和一個掉電模式，通過雙向并行接口進行編程。上電時，設(shè)備默認進入輸入多路復(fù)用器A/單通道轉(zhuǎn)換模式。用戶可以選擇兩個四通道輸入組（多路復(fù)用輸入A或多路復(fù)用輸入B），內(nèi)部微序列器可以編程為每次采樣轉(zhuǎn)換一個到四個通道。

七、使用注意事項

7.1 時鐘選擇

MAX115/MAX116有內(nèi)部10MHz（典型值）時鐘，可通過連接CLK到DVDD激活，內(nèi)部時鐘啟動時間典型值為165μs。CLK輸入也可接受占空比在30% - 70%之間的外部時鐘。在選擇時鐘時，需要根據(jù)具體應(yīng)用需求和系統(tǒng)要求來決定使用內(nèi)部時鐘還是外部時鐘。如果對時鐘精度要求較高，可能需要使用外部時鐘；如果追求簡單和方便，則可以選擇內(nèi)部時鐘。

7.2 參考電壓

可以使用內(nèi)部或外部參考電壓。內(nèi)部參考使用方便，但在寬溫度范圍內(nèi)精度可能不如外部參考。如果需要在寬溫度范圍內(nèi)保證高精度，建議使用外部參考電壓，如MAX6325，其溫度漂移最大為1ppm/°C。連接外部參考時，REFIN的最小阻抗為7kΩ，REFOUT需要用4.7μF低ESR電容旁路。

7.3 電源旁路和接地

為了獲得最佳系統(tǒng)性能，應(yīng)使用具有獨立模擬和數(shù)字接地平面的印刷電路板，不建議使用繞線板。將DGND和AGND引腳連接在一起，并連接到系統(tǒng)模擬接地平面，以避免數(shù)字噪聲干擾ADC的模擬部分。AGND引腳必須直接連接到低阻抗接地平面，引腳與接地平面之間的額外阻抗會增加串擾并降低積分非線性（INL）。同時，AVDD和AVSS需要用0.1μF陶瓷電容旁路到AGND，DVDD需要用0.1μF陶瓷電容旁路到DGND，可使用鐵氧體磁珠進一步隔離模擬和數(shù)字電源。

7.4 編程和轉(zhuǎn)換操作

在編程MAX115/MAX116時，將CS拉低，對雙向引腳A0 - A3進行編程，并將WR脈沖拉低，數(shù)據(jù)在WR或CS的上升沿鎖存到設(shè)備中。啟動轉(zhuǎn)換時，在編程完成后，將CONVST脈沖拉低以啟動轉(zhuǎn)換序列，模擬輸入在CONVST上升沿采樣。在轉(zhuǎn)換過程中，不要啟動新的轉(zhuǎn)換，也不要進行讀取操作，否則會影響轉(zhuǎn)換的準確性。讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時，在收到INT信號后，通過最多四次讀取操作訪問最多四個通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

7.5 輸入帶寬和抗混疊濾波

T/H的輸入跟蹤電路具有10MHz小信號帶寬，可以使用欠采樣技術(shù)數(shù)字化高速瞬態(tài)事件和測量帶寬超過ADC采樣率的周期性信號。為了避免高頻信號混疊到感興趣的頻帶中，建議使用抗混疊濾波。

八、總結(jié)

MAX115/MAX116作為一款高性能的2x4通道同步采樣12位ADC，具有高速轉(zhuǎn)換、寬輸入范圍、故障保護、靈活的編程模式等諸多優(yōu)點，適用于多相電機控制、電網(wǎng)同步、功率因數(shù)監(jiān)測等多種應(yīng)用場景。在使用過程中，需要注意時鐘選擇、參考電壓、電源旁路和接地、編程和轉(zhuǎn)換操作以及輸入帶寬等方面的問題，以確保其性能的充分發(fā)揮。電子工程師在設(shè)計中可以根據(jù)具體需求，合理選擇和使用MAX115/MAX116，為系統(tǒng)的高效運行提供有力支持。

你在使用MAX115/MAX116的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。