AD7893：高性能串行 12 位 ADC 的卓越之選

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模擬 - 數(shù)字轉(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，我們要深入探討一款性能出色的 ADC——AD7893，它以其高速、低功耗和緊湊的封裝設(shè)計(jì)，在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

文件下載：AD7893.pdf

一、AD7893 概述

AD7893 是一款快速的 12 位 ADC，采用 Analog Devices 的 Linear Compatible CMOS（LC2MOS）工藝制造，可在單 +5V 電源下工作。它被封裝在小巧的 8 引腳 mini - DIP 或 8 引腳 SOIC 中，內(nèi)部集成了 6μs 逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器、片上跟蹤/保持放大器、片上時(shí)鐘和高速串行接口。

（一）主要特性

1. 高速轉(zhuǎn)換：具備 6μs 的轉(zhuǎn)換時(shí)間，能夠快速完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，滿足高速數(shù)據(jù)采集的需求。
2. 多種輸入范圍選擇：提供了不同的輸入范圍選項(xiàng)，如 AD7893 - 10 支持 ±10V，AD7893 - 3 支持 ±2.5V，AD7893 - 5 支持 0V 到 +5V，AD7893 - 2 支持 0V 到 +2.5V，可適應(yīng)多種不同的應(yīng)用場(chǎng)景。
3. 低功耗：典型功耗僅為 25mW，非常適合電池供電或便攜式應(yīng)用，有助于延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。
4. 高速串行接口：采用兩線串行接口，包括串行時(shí)鐘輸入（SCLK）和串行數(shù)據(jù)輸出（SDATA），方便與微控制器、DSP 處理器和移位寄存器等設(shè)備進(jìn)行連接。

二、技術(shù)參數(shù)解析

（一）動(dòng)態(tài)性能

在動(dòng)態(tài)性能方面，AD7893 表現(xiàn)出色。在 +25°C 時(shí)，信號(hào)與（噪聲 + 失真）比（SNR）、總諧波失真（THD）、峰值諧波或雜散噪聲等指標(biāo)在不同版本（A、B、S 版本）下均有良好的表現(xiàn)。例如，在輸入為 10kHz 正弦波、采樣頻率為 117kHz 的條件下，SNR 最低可達(dá) 70dB，THD 最高為 - 80dB。

（二）直流精度

AD7893 的分辨率為 12 位，并且保證在 12 位分辨率下無丟失碼。相對(duì)精度、差分非線性、正滿量程誤差、單極性偏移誤差、雙極性零誤差等直流精度指標(biāo)也都有明確的規(guī)定，確保了轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（三）模擬輸入

不同型號(hào)的 AD7893 具有不同的輸入電壓范圍和輸入電阻。例如，AD7893 - 10 的輸入電壓范圍為 ±10V，輸入電阻最小為 16kΩ；AD7893 - 3 的輸入電壓范圍為 ±2.5V，輸入電阻最小為 4kΩ 等。

（四）參考輸入

參考輸入電壓范圍為 2.375/2.625V（2.5V ± 5%），最大輸入電流為 2 - 10μA，最大輸入電容為 10pF。合適的參考源對(duì)于保證 AD7893 的性能至關(guān)重要，像 AD780 和 AD680 等精密 +2.5V 參考源就是不錯(cuò)的選擇。

（五）邏輯輸入和輸出

邏輯輸入的高、低電壓和輸入電流等參數(shù)都有明確的規(guī)定，邏輯輸出的高、低電壓也有相應(yīng)的要求。輸出編碼方面，AD7893 - 10 和 AD7893 - 3 采用二進(jìn)制補(bǔ)碼，AD7893 - 2 和 AD7893 - 5 采用自然二進(jìn)制。

（六）轉(zhuǎn)換速率

轉(zhuǎn)換時(shí)間為 6μs 最大，跟蹤/保持采集時(shí)間為 1.5μs 最大，這使得 AD7893 能夠快速完成轉(zhuǎn)換過程，提高數(shù)據(jù)采集的效率。

三、工作原理與電路設(shè)計(jì)

（一）轉(zhuǎn)換過程

轉(zhuǎn)換通過脈沖觸發(fā) CONVST 輸入來啟動(dòng)。在 CONVST 的上升沿，片上跟蹤/保持放大器從跟蹤模式切換到保持模式，轉(zhuǎn)換序列開始。轉(zhuǎn)換時(shí)鐘由內(nèi)部的激光微調(diào)時(shí)鐘振蕩器電路生成。

（二）模擬輸入部分

不同型號(hào)的 AD7893 模擬輸入結(jié)構(gòu)有所不同。例如，AD7893 - 10、AD7893 - 5 和 AD7893 - 3 的模擬輸入部分包含不同的電阻網(wǎng)絡(luò)，以適應(yīng)不同的輸入電壓范圍。而 AD7893 - 2 的模擬輸入部分沒有偏置電阻，VIN 引腳直接驅(qū)動(dòng)輸入到跟蹤/保持放大器。

（三）跟蹤/保持部分

跟蹤/保持放大器能夠使 ADC 準(zhǔn)確地將滿量程幅度的輸入正弦波轉(zhuǎn)換為 12 位精度的數(shù)字信號(hào)。其輸入帶寬大于 ADC 的奈奎斯特速率，在 ADC 以最大吞吐量 117kHz 運(yùn)行時(shí)，跟蹤/保持放大器可以處理超過 58kHz 的輸入頻率。

（四）參考輸入部分

參考輸入在片上進(jìn)行緩沖，最大參考輸入電流為 1μA。參考源的誤差會(huì)導(dǎo)致 AD7893 傳輸函數(shù)的增益誤差，并增加規(guī)定的滿量程誤差。

（五）時(shí)序和控制部分

為了獲得最佳性能，需要遵循特定的時(shí)序和控制序列。轉(zhuǎn)換在 CONVST 的上升沿啟動(dòng)，6μs 后轉(zhuǎn)換結(jié)果出現(xiàn)在輸出寄存器中。讀取操作應(yīng)在轉(zhuǎn)換期間或下一次轉(zhuǎn)換前 600ns 內(nèi)避免進(jìn)行，以確保跟蹤/保持放大器的穩(wěn)定。

（六）串行接口部分

串行接口由串行時(shí)鐘輸入（SCLK）和串行數(shù)據(jù)輸出（SDATA）兩根線組成。通過提供 16 個(gè)時(shí)鐘脈沖，可以獲取完整的轉(zhuǎn)換結(jié)果。在第 16 個(gè)下降沿，SDATA 線被禁用（三態(tài)）。

四、與微處理器/微控制器的接口

AD7893 提供的兩線串行接口使其能夠方便地與各種微控制器和 DSP 處理器連接。文檔中給出了與 8XC51、68HC11、ADSP - 2105 和 DSP56000 等不同處理器的接口示例。不過，不同處理器的串行時(shí)鐘速率可能會(huì)限制 AD7893 的最大吞吐量。例如，8XC51 和 68HC11 的串行時(shí)鐘速率明顯低于 AD7893 允許的輸入串行時(shí)鐘頻率，導(dǎo)致讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間可能長(zhǎng)于轉(zhuǎn)換時(shí)間。

五、性能表現(xiàn)

（一）線性度

AD7893 的線性度由片上 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換器決定，該轉(zhuǎn)換器經(jīng)過激光微調(diào)，具有良好的積分線性度和差分線性度。典型的相對(duì)誤差為 ±1/4 LSB，典型的差分非線性誤差為 ±1/2 LSB。

（二）噪聲

在直流應(yīng)用中，噪聲表現(xiàn)為代碼不確定性；在交流應(yīng)用中，表現(xiàn)為噪聲底。通過使用抗混疊濾波器可以去除輸入信號(hào)中高于 (f_{S}/2) 的不需要信號(hào)。從直方圖可以看出，在最佳性能條件下，AD7893 的噪聲性能良好，但在轉(zhuǎn)換期間讀取數(shù)據(jù)會(huì)增加噪聲。

（三）動(dòng)態(tài)性能

AD7893 具有 7.5μs 的轉(zhuǎn)換和采集時(shí)間，適用于寬帶信號(hào)處理應(yīng)用。其信號(hào)與（噪聲 + 失真）比、總諧波失真、峰值諧波或雜散噪聲和互調(diào)失真等動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)都有明確的規(guī)定。

（四）有效位數(shù)

通過測(cè)量信號(hào)與（噪聲 + 失真）比，可以計(jì)算出 AD7893 的有效位數(shù)。從典型的有效位數(shù)與頻率的關(guān)系圖可以看出，在不同頻率下，AD7893 能夠保持較好的轉(zhuǎn)換性能。

六、總結(jié)

AD7893 以其高速、低功耗、多種輸入范圍選擇和緊湊的封裝設(shè)計(jì)，成為電子工程師在數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理應(yīng)用中的理想選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇輸入范圍、參考源和接口方式，同時(shí)注意時(shí)序和控制要求，以充分發(fā)揮 AD7893 的性能優(yōu)勢(shì)。你在使用 ADC 時(shí)，是否也遇到過類似的性能和接口問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。