AD4855：8通道同步采樣16位250 kSPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)剖析

在電子設(shè)計領(lǐng)域，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）的性能直接影響著整個系統(tǒng)的精度和可靠性。今天，我們將深入探討一款高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)——AD4855，它在眾多應(yīng)用場景中展現(xiàn)出了卓越的性能。

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產(chǎn)品概述

AD4855是一款全緩沖、8通道同步采樣、16位、250 kSPS的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有差分、寬共模范圍輸入的特點(diǎn)。其采用5V低壓電源、靈活的輸入緩沖電源，并配備精密低漂移的內(nèi)部參考和參考緩沖器，每個通道的SoftSpan范圍可獨(dú)立配置，以匹配應(yīng)用信號的擺動，減少外部信號調(diào)理的需求。

關(guān)鍵特性

高精度數(shù)據(jù)采集

• 多通道同步采樣：能夠同時對8個通道進(jìn)行采樣，每個通道的吞吐量可達(dá)250 kSPS，確保了數(shù)據(jù)采集的高效性和同步性。
• 寬輸入范圍：差分輸入范圍靈活，支持多種SoftSpan配置，包括±40 V、±25 V、±20 V等多種范圍，滿足不同應(yīng)用的需求。
• 低輸入泄漏電流：在25°C時，典型輸入泄漏電流僅為±75 pA，減少了信號干擾，提高了采集精度。

高性能指標(biāo)

• 高線性度：積分非線性（INL）誤差典型值為±160 μV（±40 V范圍），確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
• 低噪聲：信噪比（SNR）可達(dá)94.6 dB（±40 V范圍），動態(tài)范圍（DR）為98.1 dB（±40 V范圍），有效減少了噪聲干擾。
• 高共模抑制比：CMRR典型值為120 dB，能夠有效抑制共模信號，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

數(shù)字靈活性

• 多種接口選擇：支持SPI CMOS（0.9 V至5.25 V）和LVDS串行輸入輸出，方便與不同的數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行接口。
• 可選過采樣：支持16位數(shù)字平均的過采樣功能，進(jìn)一步提高了SNR和動態(tài)范圍。
• 可選校正功能：提供偏移、增益和相位校正功能，可校準(zhǔn)和消除系統(tǒng)級誤差。

低功耗設(shè)計

每個通道在250 kSPS時功耗僅為27 mW，并且功耗可隨吞吐量進(jìn)行調(diào)整，適合對功耗要求較高的應(yīng)用。

工作原理

轉(zhuǎn)換器操作

AD4855的工作分為采集和轉(zhuǎn)換兩個階段。在采集階段，每個通道的采樣電容連接到模擬輸入緩沖器，跟蹤差分輸入電壓。當(dāng)CNV引腳上升沿到來時，采樣保持電路從跟蹤模式轉(zhuǎn)換到保持模式，同時對所有通道的輸入信號進(jìn)行采樣并啟動轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換階段，采樣電容連接到16位電荷再分配電容數(shù)模轉(zhuǎn)換器（CDAC），通過逐次逼近算法將采樣的輸入電壓與通道的SoftSpan滿量程范圍的二進(jìn)制加權(quán)分?jǐn)?shù)進(jìn)行比較，最終輸出近似的數(shù)字代碼。

傳輸函數(shù)

AD4855將每個通道的滿量程電壓范圍數(shù)字化為2^16個離散電平。每個通道的SoftSpan配置決定了其差分輸入電壓范圍、LSB大小和轉(zhuǎn)換結(jié)果的二進(jìn)制格式。對于雙極性SoftSpan范圍，轉(zhuǎn)換結(jié)果以二進(jìn)制補(bǔ)碼格式輸出；對于單極性SoftSpan范圍，則以直二進(jìn)制格式輸出。

無縫高動態(tài)范圍（SHDR）技術(shù)

SHDR是一種專有技術(shù)，可在每個采樣基礎(chǔ)上提供盡可能低的輸入?yún)⒖嫁D(zhuǎn)換噪聲。當(dāng)SHDR禁用時，每個通道的SoftSpan范圍自動定義一個固定的轉(zhuǎn)換器模擬信號增益，應(yīng)用于該通道的每個采樣。當(dāng)SHDR啟用時，轉(zhuǎn)換器根據(jù)每個采樣的差分電壓動態(tài)調(diào)整模擬信號增益，對于差分電壓接近所選SoftSpan范圍最大值的采樣，采用與SHDR禁用時相同的增益；對于幅度較低的采樣，轉(zhuǎn)換器自動增加增益，從而降低這些采樣的輸入?yún)⒖嫁D(zhuǎn)換噪聲，提高動態(tài)范圍。

應(yīng)用信息

緩沖模擬輸入

AD4855的每個通道能夠在寬共模輸入范圍內(nèi)同時采樣其模擬輸入引腳之間的電壓差，高CMRR可衰減兩個輸入共有的不需要的信號。寬共模輸入范圍和高CMRR使得INx+和INx - 模擬輸入可以任意擺動，只要每個引腳保持在(VEE + 3.2 V)和(VCC - 3.2 V)之間。此外，緩沖器VCC和VEE電源的寬工作范圍提供了進(jìn)一步的輸入共模靈活性，可根據(jù)應(yīng)用需求獨(dú)立偏置。

模擬輸入驅(qū)動電路

緩沖輸入級提供了高度的瞬態(tài)隔離，大多數(shù)阻抗小于10 kΩ的傳感器、信號調(diào)理放大器和濾波器網(wǎng)絡(luò)可以直接驅(qū)動4 pF的模擬輸入電容。對于更高阻抗和慢穩(wěn)定電路，可在模擬輸入引腳和GND引腳之間添加680 pF電容，以保持AD4855的全直流精度。

模擬輸入過驅(qū)動容限

在任何通道上驅(qū)動模擬輸入大于VCC電源至10 mA不會影響其他通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果，但驅(qū)動模擬輸入小于VEE電源可能會破壞其他通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果。在(VCC - VEE) > 44 V的應(yīng)用中，建議在每個INx+和INx - 引腳串聯(lián)一個外部電阻（如100 Ω至1000 Ω），以限制故障條件下的閂鎖電流。

模擬輸入濾波

AD4855的真高阻抗模擬輸入可適應(yīng)各種無源或有源信號調(diào)理濾波器。外部輸入濾波器可獨(dú)立于DAS進(jìn)行優(yōu)化，以減少信號鏈噪聲和干擾。常見的濾波器配置是簡單的抗混疊和降噪RC濾波器，其極點(diǎn)位于采樣頻率的一半。

DAS參考

AD4855支持三種參考配置：內(nèi)部帶隙參考和參考緩沖器、外部參考和內(nèi)部參考緩沖器、外部參考和外部參考緩沖器。大多數(shù)應(yīng)用采用內(nèi)部帶隙參考和參考緩沖器，這是AD4855的默認(rèn)配置。對于需要更好初始精度和/或更低參考溫度漂移的應(yīng)用，可禁用內(nèi)部帶隙參考，用外部參考驅(qū)動REFIO引腳。

電源考慮

AD4855需要五個電源：VCC和VEE（正負(fù)模擬輸入緩沖電源）、VDD（5 V核心電源）、VDDH（或VDDL）（1.8 V LDO或1.8 V核心電源）、VIO（數(shù)字輸入和輸出電源）。所有五個電源都有內(nèi)部旁路電容，無需額外的外部旁路。

時序和控制

AD4855的采樣和轉(zhuǎn)換由CNV引腳控制。CNV引腳的上升沿將所有通道的采樣保持電路從跟蹤模式轉(zhuǎn)換到保持模式，同時采樣所有通道的輸入信號并啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換器狀態(tài)由BUSY輸出指示，BUSY在每次轉(zhuǎn)換開始時變?yōu)楦唠娖剑钡睫D(zhuǎn)換完成后變?yōu)榈碗娖健?/p>

數(shù)字接口

CMOS轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出模式

在CMOS轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出模式下，串行CMOS轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出總線由一個串行時鐘輸入（SCKI）、一個串行時鐘輸出（SCKO）和八個串行數(shù)據(jù)輸出通道（SDO0至SDO7）組成。通信在預(yù)定義的數(shù)據(jù)事務(wù)窗口內(nèi)進(jìn)行，設(shè)備輸出包含轉(zhuǎn)換或過采樣結(jié)果、可選通道配置和設(shè)備狀態(tài)信息的用戶可配置數(shù)據(jù)包。

LVDS轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出模式

在LVDS轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出模式下，信息通過正負(fù)極性信號對以差分編碼的方式傳輸。串行LVDS轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出總線由差分串行時鐘輸入對（SCKI+和SCKI - ）、差分串行時鐘輸出對（SCKO+和SCKO - ）和差分串行數(shù)據(jù)輸出對（SDO+和SDO - ）組成。通信同樣在預(yù)定義的數(shù)據(jù)事務(wù)窗口內(nèi)進(jìn)行。

數(shù)據(jù)包格式

AD4855提供兩種用戶可選的數(shù)據(jù)包大?。?6位和24位。數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)格式取決于數(shù)據(jù)包大小、過采樣模式和測試模式配置。在非過采樣模式下，通道數(shù)據(jù)包包含16位轉(zhuǎn)換結(jié)果，狀態(tài)數(shù)據(jù)包包含設(shè)備狀態(tài)信息和16位CRC。在過采樣模式下，通道數(shù)據(jù)包包含16位平均轉(zhuǎn)換結(jié)果。在測試模式下，通道數(shù)據(jù)包由CHx_TESTPAT寄存器中的數(shù)據(jù)定義。

寄存器配置

AD4855具有可編程的用戶寄存器，用于配置設(shè)備和監(jiān)控其狀態(tài)。這些寄存器可以通過SPI寄存器配置總線進(jìn)行訪問。寄存器包括SPI配置寄存器、設(shè)備配置寄存器、通道配置寄存器等，每個寄存器都有特定的功能和位定義。

總結(jié)

AD4855憑借其高精度、高性能、低功耗和靈活的數(shù)字接口等特點(diǎn)，成為了自動測試設(shè)備、航空航天、儀器儀表和控制系統(tǒng)等領(lǐng)域的理想選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師可以根據(jù)具體需求合理配置AD4855的參數(shù)，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。你在使用AD4855或其他類似數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。