深入剖析AD7798/AD7799：高精度測量的理想之選

在電子工程師的設(shè)計工作中，高精度的模擬前端對于許多測量應(yīng)用至關(guān)重要。今天，我們就來深入了解一下Analog Devices推出的AD7798/AD7799，這兩款低功耗、低噪聲的完整模擬前端芯片，它們?yōu)楦呔葴y量應(yīng)用提供了出色的解決方案。

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一、產(chǎn)品概述

AD7798/AD7799是專為高精度測量應(yīng)用設(shè)計的低功耗、低噪聲模擬前端。它們包含一個低噪聲的16/24位Σ - Δ ADC，具有三個差分模擬輸入通道。片上的低噪聲儀表放大器使得小幅度信號能夠直接與ADC接口。以AD7799為例，在增益設(shè)置為64且更新速率為4.17 Hz時，均方根噪聲僅為27 nV。

1.1 關(guān)鍵特性

• 低噪聲性能：不同更新速率下，AD7799和AD7798都展現(xiàn)出了極低的均方根噪聲。例如，AD7799在4.17 Hz時為27 nV，16.7 Hz時為65 nV；AD7798在4.17 Hz時為40 nV，16.7 Hz時為85 nV。
• 低功耗：典型電流為380 μA，在掉電模式下最大僅為1 μA。
• 可編程增益：具有可編程增益的儀表放大器，可根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)整。
• 更新速率靈活：更新速率范圍為4.17 Hz至470 Hz，可通過軟件進(jìn)行編程。
• 多通道輸入：提供3個差分輸入通道，滿足多種測量需求。
• 集成功能豐富：片上集成了低側(cè)電源開關(guān)、參考檢測、可編程數(shù)字輸出引腳、燒斷電流和內(nèi)部時鐘振蕩器等功能。
• 寬電源范圍：電源電壓范圍為2.7 V至5.25 V，工作溫度范圍為 - 40°C至 + 105°C。
• 封裝形式：采用16引腳TSSOP封裝，便于安裝和布局。

1.2 接口特性

AD7798/AD7799采用3線串行接口，與SPI?、QSPI?、MICROWIRE?和DSP兼容。SCLK引腳具有施密特觸發(fā)器，增強(qiáng)了接口的抗干擾能力。

二、技術(shù)規(guī)格詳解

2.1 性能參數(shù)

• 輸出更新速率：無丟失碼的輸出更新速率范圍為4.17 - 470 Hz，AD7799的分辨率最高可達(dá)24位，AD7798為16位。
• 噪聲與分辨率：不同增益和更新速率下，輸出均方根噪聲和有效分辨率有所不同。具體數(shù)據(jù)可參考文檔中的表格，這些數(shù)據(jù)為工程師在不同應(yīng)用場景下選擇合適的參數(shù)提供了依據(jù)。
• 誤差指標(biāo)：積分非線性、偏移誤差、滿量程誤差等指標(biāo)都在一定范圍內(nèi)，并且可以通過校準(zhǔn)來進(jìn)一步降低誤差。例如，校準(zhǔn)后偏移誤差在所選增益和更新速率下與噪聲處于同一數(shù)量級。
• 電源抑制：電源抑制比最小為100 dB，確保了在電源波動時仍能保持良好的性能。
• 輸入特性：差分輸入電壓范圍、絕對AIN電壓限制、共模電壓等參數(shù)都有明確的規(guī)定，工程師在設(shè)計時需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇。

2.2 時序特性

文檔中詳細(xì)給出了讀寫操作的時序參數(shù)，包括SCLK高脈沖寬度、低脈沖寬度、CS下降沿到DOUT/RDY有效時間等。這些參數(shù)對于確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸至關(guān)重要，工程師在設(shè)計接口電路時需要嚴(yán)格遵循這些時序要求。

2.3 絕對最大額定值

為了保證芯片的安全可靠運(yùn)行，文檔規(guī)定了絕對最大額定值，如電源電壓、輸入電壓、電流等。在實(shí)際應(yīng)用中，必須確保芯片的工作條件在這些額定值范圍內(nèi)，否則可能會導(dǎo)致芯片損壞。

三、引腳配置與功能

3.1 引腳配置

AD7798/AD7799的引腳配置清晰明了，每個引腳都有特定的功能。例如，SCLK為串行時鐘輸入，CS為芯片選擇輸入，AIN3(+)/P1和AIN3( - )/P2既可以作為模擬輸入引腳，也可以作為數(shù)字輸出引腳。

3.2 功能描述

每個引腳的功能在文檔中都有詳細(xì)的說明，工程師可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行靈活配置。例如，DOUT/RDY引腳既可以作為串行數(shù)據(jù)輸出引腳，也可以作為數(shù)據(jù)就緒信號，方便與處理器進(jìn)行交互。

四、片上寄存器

AD7798/AD7799通過多個片上寄存器進(jìn)行控制和配置，這些寄存器包括通信寄存器、狀態(tài)寄存器、模式寄存器、配置寄存器等。

4.1 通信寄存器

通信寄存器是一個8位的只寫寄存器，所有與芯片的通信都必須從向該寄存器寫入數(shù)據(jù)開始。通過寫入不同的數(shù)據(jù)，可以確定下一次操作是讀操作還是寫操作，以及操作的目標(biāo)寄存器。

4.2 狀態(tài)寄存器

狀態(tài)寄存器是一個8位的只讀寄存器，用于反映芯片的當(dāng)前狀態(tài)，如數(shù)據(jù)就緒、誤差狀態(tài)、參考檢測等信息。

4.3 模式寄存器

模式寄存器是一個16位的寄存器，用于選擇芯片的工作模式、更新速率和低側(cè)電源開關(guān)等。不同的工作模式包括連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、單轉(zhuǎn)換模式、空閑模式、掉電模式等，工程師可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

4.4 配置寄存器

配置寄存器同樣是16位的寄存器，用于配置芯片的單極性/雙極性模式、緩沖器的啟用/禁用、燒斷電流的啟用/禁用、增益選擇和模擬輸入通道選擇等。

4.5 其他寄存器

還包括數(shù)據(jù)寄存器、ID寄存器、IO寄存器、偏移寄存器和滿量程寄存器等，每個寄存器都有其特定的功能，共同實(shí)現(xiàn)了芯片的各種功能。

五、電路設(shè)計要點(diǎn)

5.1 模擬輸入通道

AD7798/AD7799有三種工作模式：緩沖模式、非緩沖模式和儀表放大器啟用模式。在緩沖模式下，輸入通道連接到片上緩沖放大器，能夠容忍較大的源阻抗；在非緩沖模式下，輸入電流較大，需要注意外部電阻/電容組合對增益的影響。當(dāng)增益設(shè)置為4或更高時，儀表放大器啟用，此時對輸入電壓范圍和共模電壓有一定的要求。

5.2 參考設(shè)計

參考輸入為無緩沖輸入，因此過大的電阻/電容源阻抗會引入增益誤差。推薦使用低噪聲、低功耗的參考電壓源，如ADR381和ADR391。同時，芯片還具有參考檢測功能，當(dāng)參考電壓低于0.3 V或參考輸入開路時，會檢測到無有效參考，并將狀態(tài)寄存器中的NOREF位設(shè)置為1。

5.3 校準(zhǔn)

芯片提供了四種校準(zhǔn)模式：內(nèi)部零刻度校準(zhǔn)、內(nèi)部滿量程校準(zhǔn)、系統(tǒng)零刻度校準(zhǔn)和系統(tǒng)滿量程校準(zhǔn)。校準(zhǔn)可以有效降低偏移誤差和滿量程誤差，提高測量精度。在進(jìn)行校準(zhǔn)時，需要根據(jù)不同的校準(zhǔn)模式進(jìn)行相應(yīng)的操作，并注意校準(zhǔn)的順序和時間。

5.4 接地與布局

由于AD7798/AD7799的分辨率高、噪聲低，因此在接地和布局方面需要特別注意。建議將模擬和數(shù)字部分分開，并采用最小蝕刻技術(shù)設(shè)計接地平面，以提供良好的屏蔽效果。同時，要注意電流的流向，避免數(shù)字電流流經(jīng)模擬接地部分。電源供應(yīng)線應(yīng)盡可能寬，以降低阻抗，減少電源線上的干擾。

六、應(yīng)用案例

6.1 稱重秤應(yīng)用

在稱重秤應(yīng)用中，AD7798/AD7799可以與負(fù)載細(xì)胞配合使用。負(fù)載細(xì)胞采用橋式網(wǎng)絡(luò)，輸出差分電壓。通過將橋的激勵電壓直接作為ADC的參考電壓，可以實(shí)現(xiàn)比例測量。同時，低側(cè)電源開關(guān)可以在低功耗應(yīng)用中發(fā)揮作用，在待機(jī)模式下關(guān)閉開關(guān)，減少不必要的功耗。

6.2 其他應(yīng)用

AD7798/AD7799還適用于壓力測量、應(yīng)變計傳感器、氣體分析、工業(yè)過程控制、便攜式儀器、血液分析、智能變送器、液相/氣相色譜等多種應(yīng)用場景。

七、總結(jié)

AD7798/AD7799以其低噪聲、低功耗、高分辨率和豐富的功能，為高精度測量應(yīng)用提供了優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際設(shè)計中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇芯片的參數(shù)和工作模式，注意電路設(shè)計的要點(diǎn)，以充分發(fā)揮芯片的性能。同時，要嚴(yán)格遵守芯片的絕對最大額定值，確保芯片的安全可靠運(yùn)行。你在使用AD7798/AD7799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(yàn)和見解。