一、ADS8361 ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器簡介

ADS8361是一款雙通道、16位、500kSPS、模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器，具有四個全差分輸入通道，分為兩對，用于高速同步信號采集。采樣保持放大器的輸入為全差分輸入，并與A/D轉(zhuǎn)換器的輸入保持差分。這在50kHz時提供了80dB的出色共模抑制，這在高噪聲環(huán)境中很重要。

特性參數(shù)

• 模塊供電：DC 5V
• 靜態(tài)功耗：30mA（僅供參考）
• 通訊協(xié)議：SPI串行
• 通訊電平：3.3V
• 輸入通道數(shù)：4個差分通道
• 基準(zhǔn)電壓Vref：默認(rèn)內(nèi)部2.5V，可焊接SOT23封裝的芯片外部輸入基準(zhǔn)
• 輸入口絕對電壓：0-5V，即輸入引腳電壓必須大于0V
• 采集范圍：±Vref，即采集電壓 = (IN +) - (IN -) ≤ ±2.5V，如A0- = 3.5V，A0+ = 1.5V，采集到的電壓為 -2.0V
• 分辨率：16位
• 芯片最大采樣率：500ksps（總吞吐量）

應(yīng)用場景

• 電機(jī)控制，多軸定位系統(tǒng)，三相電源控制等

二、ADS8361模塊接口說明

三、ADS8361功能框圖與時序說明

ADS8361 是一款高速、低功耗的雙通道 16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (A/D 轉(zhuǎn)換器)，輸入通道均為全差分輸入，典型共模抑制比為 80dB。ADS8361包含了一個雙路 4μs 逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器、兩個差分采樣保持放大器、一個帶有 REFIN 和 REFOUT 引腳的內(nèi)部 +2.5V 基準(zhǔn)電壓源以及一個高速串行接口。ADS8361 需要外部時鐘。為了達(dá)到 500kSPS 的最大吞吐量，主時鐘頻率必須設(shè)置為 10MHz。每次 16 位轉(zhuǎn)換至少需要 20 個時鐘周期。功能框圖如下：

時序特性如下：

ADS8361 具有四個模擬輸入，分為兩個通道（A 和 B）。通道選擇由 M0、M1和 A0控制。每個通道有兩個輸入端（A0、A1 和 B0、B1），它們同時進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換，從而保留兩個模擬輸入端信號的相對相位信息。所有轉(zhuǎn)換均通過將 CONVST 引腳拉高至少 15ns 來在 ADS8361 上啟動。CONVST 拉高會使兩個采樣保持放大器同時進(jìn)入保持狀態(tài)，并在兩個通道上啟動轉(zhuǎn)換過程。RD 引腳可以連接到 CONVST 以簡化操作。根據(jù) M0、M1 和 A0 引腳的狀態(tài)，ADS8361 將 (a) 工作在雙通道或四通道模式，并且 (b) 同時在串行 A 和串行 B 輸出端口輸出數(shù)據(jù)，或者僅通過串行 A 輸出端口傳輸兩個通道的數(shù)據(jù)。

ADS8361 通過地址引腳 M0、M1和 A0配置為四種不同的工作模式，而M0則用于選擇雙通道或四通道工作模式。
在雙通道工作模式下，A0 用于選擇通道 0 和通道 1；
在四通道工作模式下，A0 引腳將被忽略，通道會在每次轉(zhuǎn)換后自動切換。
M1用于選擇串行數(shù)據(jù)是同時通過串行 A 數(shù)據(jù)輸出和串行 B 數(shù)據(jù)輸出傳輸，還是兩個通道都通過串行 A 端口輸出數(shù)據(jù)。模式選擇如下：

模式 I (M0 = 0, M1 = 0)
當(dāng) M0 和 M1均設(shè)置為0時，ADS8361 將以雙通道模式運(yùn)行（必須使用 A0 引腳在通道 A 和 B 之間切換）。通過將 CONVST 置高至少 15ns 來啟動轉(zhuǎn)換。非常重要的一點(diǎn)是，CONVST 必須在外部時鐘下降沿之前至少 10ns 或在下降沿之后至少 5ns 置高。如果在此時間范圍內(nèi)將 CONVST 置高，則無法確定 ADS8361 何時啟動轉(zhuǎn)換。執(zhí)行一次轉(zhuǎn)換需要 20 個時鐘周期。CONVST 置高后，ADS8361 將立即從采樣模式切換到保持模式，該切換與外部時鐘異步。 BUSY 輸出隨后將變?yōu)楦唠娖?，并在整個轉(zhuǎn)換周期內(nèi)保持高電平。在外部時鐘第一個周期的下降沿，ADS8361 根據(jù) A0的狀態(tài)（高電平 = 通道 1，低電平 = 通道 0）鎖存下一個轉(zhuǎn)換周期的地址。該地址必須在外部時鐘第一個周期的下降沿之前 15ns 選擇，并在時鐘沿之后保持 15ns。為了獲得最大吞吐量，CONVST 和 RD 引腳應(yīng)連接在一起。必須將 CS 拉低才能使能 CONVST 和 RD 輸入。數(shù)據(jù)在每個轉(zhuǎn)換的 20 個時鐘周期的下降沿都有效。數(shù)據(jù)的第一位是通道 0 或 1 的狀態(tài)標(biāo)志，第二位是通道 A 或 B 的第二個狀態(tài)標(biāo)志。在模式 I 中，第一位和第二位均為 0。后續(xù)數(shù)據(jù)將按最高有效位 (MSB) 到最低有效位 (LSB) 的順序排列，最后兩位為0。

模式 II (M0 = 0, M1 = 1)
當(dāng) M1 設(shè)置為1時，ADS8361 僅通過串行數(shù)據(jù) A 引腳輸出數(shù)據(jù)。除串行數(shù)據(jù) B 輸出在 M1 變?yōu)楦唠娖胶筮M(jìn)行轉(zhuǎn)換后會變?yōu)槿龖B(tài)（即高阻抗）外，所有其他引腳的功能與模式 I 相同。此模式的另一個區(qū)別在于 CONVST 。由于輸出兩個 A/D 轉(zhuǎn)換器的結(jié)果需要 40 個時鐘周期（而不是 M1 = 0 時的 20 個時鐘周期），因此 ADS8361 需要 4μs 才能完成兩個 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換。

模式 III (M0 = 1, M1 = 0)
當(dāng) M0 設(shè)置為1時，ADS8361 將依次循環(huán)遍歷通道 0 和通道 1（忽略 A0 引腳）。同時，將 M1 設(shè)置為0會使串行輸出 A 和 B 都處于有效狀態(tài)。

模式 IV (M0 = 1, M1 = 1)
與模式 II 類似，模式 IV 僅使用串行 A 輸出線傳輸數(shù)據(jù)。在 M1 變?yōu)楦唠娖胶蟮牡谝淮无D(zhuǎn)換之后，串行 B 輸出將進(jìn)入三態(tài)。與模式 II 一樣，當(dāng) M1 = 1 時，第二個 CONVST 命令始終被忽略。

最后讀取數(shù)據(jù)，在所有四個時序圖中，CONVST 和 RD 連接在一起。如果需要，可以將這兩條線分開。串行輸出（A 和 B）上的數(shù)據(jù)將在 RD 上升沿之后的第三個 SCLK 上升沿之后生效。

注意：
ADS8361 的 CONVST（啟動轉(zhuǎn)換）信號，和外部時鐘 CLOCK 的相位關(guān)系要求非常嚴(yán)格，如果在不該切換的時間點(diǎn)去拉高/拉低 CONVST，ADC 可能會不確定到底哪一個時鐘開始轉(zhuǎn)換。ADS8361 是同步采樣 ADC，有外部 CLOCK和CONVST 啟動信號。但真正開始轉(zhuǎn)換，不是 CONVST 一來立刻開始。而是ADC 會等到 CLOCK 的某個上升沿才正式開始轉(zhuǎn)換。

什么時候開始轉(zhuǎn)換如下圖所示，其核心意思是ADC 內(nèi)部需要判斷：這個 CONVST 屬于哪個時鐘周期？但如果：CONVST 恰好出現(xiàn)在 CLOCK 邊沿附近，ADC 內(nèi)部觸發(fā)器可能會：有時認(rèn)為屬于當(dāng)前周期，有時認(rèn)為屬于下一周期。于是，轉(zhuǎn)換開始時間不確定，這就是所謂時序競爭。

如何確定CONVST 屬于哪個時鐘周期，官方手冊把 CLOCK 周期分成了：A區(qū)，B區(qū)，C區(qū)，ADC 在CLOCK 上升沿真正觸發(fā)轉(zhuǎn)換，主要看CONVST。
A區(qū)：CONVST 在 cycle1 前一個下降沿之前 10ns以上 到達(dá)，那么就在cycle1上升沿開始轉(zhuǎn)換。即在D1下降沿前的t1以上時間，CONVST到達(dá)，那么就在cycle1上升沿開始轉(zhuǎn)換。
B區(qū)：CONVST 出現(xiàn)在cycle1 前下降沿后 5ns到 cycle2 前下降沿前 10ns，那么就在cycle2上升沿開始轉(zhuǎn)換。即D1下降沿后t2時間到D2下降沿前10ns范圍內(nèi)，CONVST到達(dá)，那么就在cycle2上升沿開始轉(zhuǎn)換。
C區(qū)：CONVST 更晚，即cycle2 下降沿后 5ns，則繼續(xù)往后推。

最危險的是灰色區(qū)域：官方手冊強(qiáng)調(diào)，CONVST 不要在 CLOCK 下降沿附近切換，即t1到t2范圍內(nèi)。因?yàn)锳DC 內(nèi)部觸發(fā)器建立保持時間不滿足會出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，結(jié)果：ADC 有時當(dāng)前周期啟動，有時下一周期啟動，于是采樣時間抖動，這對高速采樣非常致命。

四、輸入信號與數(shù)據(jù)輸出說明

4.1 輸入信號

ADS8361 的模擬輸入有兩種常見的驅(qū)動方式：單端輸入或差分輸入。
單端輸入時，-IN 輸入保持在共模電壓。+IN 輸入圍繞該共模電壓擺動，峰峰值幅度為（共模電壓 + VREF)）和 （共模電壓 – VREF）。VREF 的值決定了共模電壓的變化范圍。
差分輸入時，輸入幅度為 +IN 和 -IN 輸入之差，即 (+IN) – (-IN)。每個輸入的峰峰值幅度圍繞該共模電壓在 ±1/2 VREF 范圍內(nèi)變化。然而，由于輸入相位相差 180°，差分電壓的峰峰值幅度為 +VREF 到 -VREF。 VREF 的值還決定了兩個輸入端可能共有的電壓范圍。

ADS8361 的差分輸入可接受內(nèi)部參考電壓 (2.5V) 附近的雙極性輸入（-VREF 和 +VREF），對應(yīng)于 0V 至 5V 的輸入范圍（參考電壓為 2.5V）。也可以通過使用包含單個放大器和四個外部電阻的簡單運(yùn)算放大器電路，將 ADS8361 配置為接受雙極性輸入，傳統(tǒng)的 ±2.5V、±5V 和 ±10V 的輸入范圍。

注意：店鋪售賣的模塊的模擬輸入范圍是基于內(nèi)部參考電壓 (2.5V)附近的雙極性輸入，即A，B通道輸入0-5V，輸入不了負(fù)壓信號。

如果想要輸入負(fù)壓信號，需要在輸入接口外接運(yùn)算放大器電路實(shí)現(xiàn)，運(yùn)算放大器電路可參考如下圖：

4.2 數(shù)據(jù)輸出

數(shù)據(jù)的第一位是通道 0 或 1 的狀態(tài)標(biāo)志，第二位是通道 A 或 B 的第二個狀態(tài)標(biāo)志。3-18位為輸出數(shù)據(jù)，由最高有效位 (MSB) 到最低有效位 (LSB) 的順序排列，19-20位為0。圖8為理想數(shù)據(jù)換算。

五、STM32F103驅(qū)動ADS8361采集信號

準(zhǔn)備工作

STM32F103C8T6開發(fā)板，ADS8361 16位ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，USB轉(zhuǎn)TTL，導(dǎo)線若干等。

接線說明

代碼示例

ADS8361.c

#include "stm32f10x.h"
#include "ads8361.h"
#include "delay.h"

/**********************************************************************************************************
*	函 數(shù) 名: ADS8361_IO_Init
*	功能說明: ADS8361 IO口初始化
*	形    參: 無
*	返 回 值: 無
**********************************************************************************************************/
void ADS8361_IO_Init(void)	   //ADS8361 IO口初始化
{
	GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;

	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);	 //使能端口時鐘

	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_6;				 
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; 		 //推挽輸出
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_10;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; 
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
	
	CS=1;  //失能芯片 初始化CLOCK為低
  CLOCK=0;
	RD=0;          
  CONVST=0; 
}

/**********************************************************************************************************
*	函 數(shù) 名: ADS8361_Mode_selection
*	功能說明: ADS8361模式選擇
*	形    參: mode
*	返 回 值: 無
**********************************************************************************************************/
void ADS8361_Mode_selection(uint8_t mode)//ADS8361模式選擇
{
	switch(mode)
  {
    case Mode_I:	M0 = 0; M1 = 0;
      break;
		case Mode_II:	M0 = 0; M1 = 1;
      break;
		case Mode_III:M0 = 1; M1 = 0;
      break;
		case Mode_IV:	M0 = 1; M1 = 1;
      break;
    default:
      break;
  }
}

/**********************************************************************************************************
*	函 數(shù) 名: ADS8361_Init
*	功能說明: ADS8361初始化引腳并選擇模式
*	形    參: mode
*	返 回 值: 無
**********************************************************************************************************/
void ADS8361_Init(uint8_t mode)	   //ADS8361初始化
{
	ADS8361_IO_Init();
	delay_ms(10);
	ADS8361_Mode_selection(mode);
	delay_ms(10);
}

/**********************************************************************************************************
*	函 數(shù) 名: ADS8361_ReadData
*	功能說明: 讀取ADS8361通道AB0或AB1數(shù)據(jù)(模式I)。不同模式時序請參考ADS8361芯片手冊?。。?*	形    參: A0_Select=0選擇通道A0,B0; A0_Select=1時選擇通道A1,B1
*	返 回 值: 無
**********************************************************************************************************/
void ADS8361_ReadData(uint8_t A0_Select,uint16_t *data)
{
  u8 i = 0;	
  
	CS=0;  	//使能芯片
	CLOCK=1;
	A0=CH_AB0; //選擇下一個轉(zhuǎn)換周期的通道進(jìn)行讀取
	RD=1;  
	CONVST=1;  // 開始轉(zhuǎn)換
	CLOCK=0;

	CLOCK=1;
	CLOCK=0;
	CLOCK=1;
	CLOCK=0;// 前兩個脈沖在模式I下并不起作用沒有標(biāo)志的用途// 所以忽略不讀
								
	for(i=0;i< 16;i++)  // 讀取16位AD轉(zhuǎn)換后的值，高位在前，所以每讀一位是左移
	{
		data[2] < <= 1;
		data[3] < <= 1;
		CLOCK=1;
		if(DATA_A){data[2]++;}//讀取A1通道數(shù)據(jù),下一個周期才是A0B0
		if(DATA_B){data[3]++;}//讀取B1通道數(shù)據(jù)
		CLOCK=0;
	}
	CLOCK=1;
	CLOCK=0;
	CLOCK=1;
	CLOCK=0;//補(bǔ)齊一個讀寫時序20位
	
	while(BUSY);  // 等待轉(zhuǎn)換周期完成

	RD=0;         // 準(zhǔn)備下一次轉(zhuǎn)換和讀寫
	CONVST=0;     // 準(zhǔn)備下一次轉(zhuǎn)換和讀寫
	
}


/**********************************************************************************************************
*	函 數(shù) 名: ADS8361_Read_ALLData
*	功能說明: 讀取ADS8361所有通道數(shù)據(jù)(模式I)
*	形    參: data:數(shù)據(jù)指針
*	返 回 值: 無
**********************************************************************************************************/

void ADS8361_Read_ALLData(uint16_t *data)
{
	u8 i = 0;	
	
	CS=0;  	//使能芯片
	CLOCK=1;
	A0=CH_AB0; //選擇下一個轉(zhuǎn)換周期的通道進(jìn)行讀取
	RD=1;  
	CONVST=1;  // 開始轉(zhuǎn)換
	CLOCK=0;

	CLOCK=1;
	CLOCK=0;
	CLOCK=1;
	CLOCK=0;// 前兩個脈沖在模式I下并不起作用沒有標(biāo)志的用途// 所以忽略不讀
								
	for(i=0;i< 16;i++)  // 讀取16位AD轉(zhuǎn)換后的值，高位在前，所以每讀一位是左移
	{
		data[2] < <= 1;
		data[3] < <= 1;
		CLOCK=1;
		if(DATA_A){data[2]++;}//讀取A1通道數(shù)據(jù),下一個周期才是A0B0
		if(DATA_B){data[3]++;}//讀取B1通道數(shù)據(jù)
		CLOCK=0;
	}
	CLOCK=1;
	CLOCK=0;
	CLOCK=1;
	CLOCK=0;//補(bǔ)齊一個讀時序20位
	
	while(BUSY);  // 等待轉(zhuǎn)換周期完成

	RD=0;         // 準(zhǔn)備下一次轉(zhuǎn)換和讀寫
	CONVST=0;     // 準(zhǔn)備下一次轉(zhuǎn)換和讀寫
	
	CLOCK=1;
	A0=CH_AB1; // 選擇通道進(jìn)行讀取

	RD=1;  
	CONVST=1;  // 開始轉(zhuǎn)換
	CLOCK=0;

	CLOCK=1;
	CLOCK=0;
	CLOCK=1;
	CLOCK=0;// 前兩個脈沖在模式I下并不起作用沒有標(biāo)志的用途// 所以忽略不讀
                                 
	for(i=0;i< 16;i++)  // 讀取16位AD轉(zhuǎn)換后的值，高位在前，所以每讀一位是左移
	{
		data[0] < <= 1;
		data[1] < <= 1;
		CLOCK=1;
		if(DATA_A){data[0]++;}//讀取A0通道數(shù)據(jù)
		if(DATA_B){data[1]++;}//讀取B0通道數(shù)據(jù)
		CLOCK=0;
	}
	CLOCK=1;
	CLOCK=0;
	CLOCK=1;
	CLOCK=0;//補(bǔ)齊一個讀時序20位
	
	while(BUSY);  // 等待轉(zhuǎn)換周期完成

	RD=0;         // 準(zhǔn)備下一次轉(zhuǎn)換和讀寫
	CONVST=0;     // 準(zhǔn)備下一次轉(zhuǎn)換和讀寫
}

main.c

#include "sys.h"
#include "ads8361.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"

int main(void)
{
	uint8_t i=0;
	char showLcd[30];
	char infoBackPC[64];
	uint16_t value[4];
	
	SystemInit();
	delay_init();	     //延時初始化
	usart_Init(115200);   //串口初始化
	delay_ms(100);
	
	ADS8361_Init(Mode_I);
	usart_SendString("ADS8361rn");
	
	while(1)
	{
		ADS8361_Read_ALLData(value);//讀取數(shù)據(jù)
		
		for(i = 0; i < 2; i++)//發(fā)送
		{
			sprintf(infoBackPC, "A%d=%05dmV  B%d=%05dmVrn",i,(int16_t)(value[i*2])*ADS8361_LSB,i,(int16_t)(value[i*2+1])*ADS8361_LSB);			
			usart_SendString(infoBackPC);
		}
		
		usart_SendString("rn");

		delay_ms(100);
	}
}

效果展示

輸入信號（V）： A0+：1.49，A0-：1.197； B0+：2.515，B0-：1.807
A1+：1.197，A1-：1.807； B1+：1.49，B1-：2.515
注意：輸入浮空時，電壓不為0。

六、注意事項(xiàng)與常見問題

注意事項(xiàng)：
(1)模塊為低功耗模塊，建議供電電源不超過5.25V。
(2)由于模塊是高精度器件，為了避免不必要的干擾，建議使用線性電源供電。
(3)輸入輸出信號線建議盡量短，過長容易引入噪聲信號。接觸不良或劣質(zhì)的線材可能導(dǎo)致信號衰減或者噪聲過大。
(4)配送的代碼僅為本店配套主控板使用，程序注釋完整，不講解程序，寶貝詳情展示以外的功能需要自行開發(fā)。
(5)如需簡單測試模塊功能，建議搭配本店控制板使用，正確接線后給控制板供電即可實(shí)現(xiàn)信號采集顯示。

常見問題
Q：模塊可輸入負(fù)電壓嗎?
A：不可以，輸入口電壓必須大于0V，電壓范圍為0到5V，差模電壓范圍不超過士VREF(±2.5V)，即(IN+) - (IN-)要在±2.5V以內(nèi)。

Q：模塊輸出電壓與ADC值的對應(yīng)關(guān)系是什么?
A：0 - 32767對應(yīng)0V - 2.5V；32768 - 65535對應(yīng)-2.5V - 0V。即十六進(jìn)制0 - 7FFF對應(yīng)0V - 2.5V；8000 - FFFF對應(yīng)-2.5V - 0V，ADS8361的ADC最高位為符號位。

Q：每個通道是否獨(dú)立具有500kSPS數(shù)據(jù)更新率?
A：ADS8361的最大總吞吐量為500kSPS。每個通道的吞吐量取決于讀取選擇的通道數(shù)。如果僅選擇一個通道，則通道的吞吐量等于 500kSPS，如果選擇了四個通道，則等于每個通道125kSPS，依此類推。

Q：提供的程序支持500kSPS的數(shù)據(jù)更新率嗎?
A：提供的程序?yàn)檐浖MSPI通訊，所以無法達(dá)到最大速度；默認(rèn)程序只做模塊功能驗(yàn)證，以便快速測試模塊好壞。如需進(jìn)行性能驗(yàn)證，請參考芯片手冊自行編程或更換高速MCU或FPGA實(shí)現(xiàn)高速采集。

Q：比如給一個電壓：2.1234V的一個電壓讓模塊去一直采集，它的結(jié)果是怎樣的？數(shù)值會跳動嗎？
A：數(shù)據(jù)肯定是有跳動的，這個不是單一條件決定的，電源紋波噪聲，線材過長等因素都會對其造成影響。

Q：模塊正常驅(qū)動后，沒有接電壓的管腳顯示也有電壓，正常嗎?
A：模塊默認(rèn)程序是4通道一直采集的，在沒有接入電壓的時候也會采集到管腳上的浮空電壓，可將管腳直接接地，即為0電壓。

審核編輯 黃宇