ADS9815/ADS9817 产品技术文档总结

ADS981x是一款8通道数据采集（DAQ）系统，基于双通道、同步采样、18位逐次逼近寄存器（SAR）模数转换器（ADC）。ADS981x为每个通道提供完整的模拟前端，具有输入箝位保护电路、1MΩ输入阻抗和具有用户可选带宽选项的可编程增益放大器（PGA）。高输入阻抗允许直接与传感器和变压器连接，从而消除了对外部驱动电路的需求。ADS981x可配置为接受共模电压高达±12V的单极性或双极性输入。

该器件还具有用于ADC的4.096V基准电压源和用于外部电路的2.5V基准电压源输出。支持1.2V至1.8V工作的数字接口使ADS981x无需外部电压电平转换器即可使用。
*附件：ads9815.pdf

特性

• 8通道、18位ADC，带模拟前端：
  • 双通道、同步采样：4 × 1 通道
  • 恒定的 1MΩ 输入阻抗前端
• 可编程模拟输入范围：
  • ±12V、±10V、±7V、±5V、±3.5V和±2.5V
  • 单端和差分输入
  • ±12V 共模电压范围
  • 输入过压保护：高达 ±18V
• 用户可选择的模拟输入带宽：
  • 21kHz 和 400kHz
• 集成低漂移精密基准电压源
  • ADC基准电压源：4.096V
  • 2.5V 基准输出，用于外部电路
• 全通量下的出色交流和直流性能：
  • DNL：±0.5LSB，INL：±0.8LSB
  • 信噪比：92dB，总谐波扰：–113dB
• 电源：
  • 模拟和数字：5V 和 1.8V
  • 数字接口：1.2V 至 1.8V
• 温度范围：–40°C 至 +125°C

参数

方框图

ADS9815/ADS9817 是德州仪器（TI）推出的两款 18 位双通道同步采样模数转换器（ADC），集成完整模拟前端，具备高输入阻抗、宽输入范围与灵活数据接口，适用于参数测量单元（PMU）、电池化成测试设备、数据采集（DAQ）等高精度数据采集场景。两款器件核心架构一致，仅在采样速率与功耗上存在差异，可根据应用对吞吐量的需求灵活选择。

一、核心特性与器件差异

1. 共性核心特性

• 通道与采样能力 ：8 通道模拟输入（可配置为单端或差分），双 ADC 同步采样，支持每通道独立配置输入范围与带宽，无需外部驱动电路即可直接连接传感器或变压器。
• 输入性能 ：固定 1MΩ 输入阻抗（全采样频率与输入范围下），输入过压保护达 ±18V；可编程输入范围覆盖 ±2.5V、±3.5V、±5V、±7V、±10V、±12V，支持 ±12V 宽共模电压。
• 精度与动态性能 ：18 位分辨率（无失码），差分非线性（DNL）±0.5LSB（典型值），积分非线性（INL）±0.8LSB（典型值，-40°C 至 125°C）；动态性能优异，低带宽模式下信噪比（SNR）最高 92dBFS，总谐波失真（THD）-113dB，无杂散动态范围（SFDR）113dB。
• 滤波与参考 ：支持用户可选模拟低通滤波（LPF），低带宽模式（21kHz）优化噪声，宽带宽模式（最高 400kHz）优化响应速度；集成 4.096V 低漂移 ADC 参考电压，同时提供 2.5V 外部参考输出（REFOUT_2V5）。
• 可靠性与兼容性 ：ESD 防护达人体放电模式（HBM）±2000V、带电器件模式（CDM）±500V；数字接口支持 1.2V-1.8V 操作，无需外部电平转换，适配不同主控芯片。

2. 器件差异（ADS9815 vs ADS9817）

参数	ADS9815	ADS9817
每通道最大采样速率	1MSPS	2MSPS
最大总功耗（典型值）	165mW	232mW
采样时钟频率范围	3.9-4.1MHz	3.9-8.1MHz
适用场景	中低速高精度采集	高速高精度采集

二、封装与引脚

1. 封装规格

• 均采用 7mm×7mm 56 引脚 VQFN（RSH 封装），内置裸露热焊盘（需接地以优化散热与机械性能），工作温度范围 -40°C 至 125°C，MSL 等级 3（260°C 峰值回流焊，168 小时湿度敏感等级）。

2. 关键引脚功能

引脚名称	类型	核心功能
AIN1P/AIN1M~AIN8P/AIN8M	模拟输入	8 对差分模拟输入通道，支持单端 / 差分配置，内置过压钳位保护
AVDD_5V	模拟电源	5V 模拟电源，需并联 1μF+0.1μF 去耦电容接地
VDD_1V8	模拟电源	1.8V 模拟电源，为内部数字核心供电，需去耦电容接地
IOVDD	数字电源	1.2V-1.8V 数字 I/O 电源，为 SPI 与数据接口供电
REFIO	模拟 I/O	内部参考输出（使能时）或外部参考输入（禁用内部参考时），需 10μF 去耦电容
REFOUT_2V5	模拟输出	2.5V 参考电压输出，供外部电路使用，需 10μF 去耦电容
SMPL_CLKP/CLKM	数字输入	采样时钟输入（差分或单端，单端时 CLKM 接地）
D0~D3	数字输出	串行数据输出通道（2 通道 / 4 通道模式可选）
DCLKOUT/FCLKOUT	数字输出	数据时钟（源同步）/ 帧同步时钟，用于数据采集同步
CS/SCLK/SDI/SDO	数字 I/O	SPI 配置接口（CS 低有效，SCLK 时钟，SDI 数据输入，SDO 数据输出）
PWDN/RESET	数字输入	掉电控制（低有效）/ 复位控制（低有效），均内置 100kΩ 上拉电阻

三、电气规格与工作条件

1. 电源要求

电源类型	电压范围	典型值	备注
AVDD_5V	4.75V-5.25V	5V	模拟前端与采样开关供电
VDD_1V8	1.75V-1.85V	1.8V	内部模拟电路与数字核心供电
IOVDD	1.15V-1.85V	1.8V	数字 I/O 与 SPI 接口供电

2. 关键电气参数（典型值，TA=25°C）

• 输入特性 ：输入电容 10pF，输入阻抗温漂 10-25ppm/°C；宽共模模式下，CMRR（直流）-70dB，通道隔离串扰 -100dB。
• 参考特性 ：内部 4.096V 参考电压温漂 10-25ppm/°C，REFIO 输出电压精度 ±0.1%。
• 功耗 ：ADS9815 在 1MSPS 时，AVDD_5V 电流 19-25mA，VDD_1V8 电流 35-43mA；ADS9817 在 2MSPS 时，AVDD_5V 电流 26-32mA，VDD_1V8 电流 50-70mA。

四、工作模式与控制

1. 核心工作模式

• 正常模式 ：需接入自由运行的采样时钟（SMPL_CLK），ADC 对 8 通道同步采样，数据通过 D0~D3 输出（支持 2 通道 / 4 通道、单数据率 SDR / 双数据率 DDR 模式）。
• 掉电模式 ：通过 PWDN 引脚拉低或寄存器 PD_CH 配置（0xC0 寄存器）进入，寄存器配置保留，功耗降至 μA 级。
• 复位模式 ：通过 RESET 引脚拉低或寄存器 RESET 位（0x00 寄存器）触发，寄存器恢复默认值，需重新执行初始化序列。

2. 初始化序列

器件上电或复位后需执行固定初始化流程（含寄存器 bank 切换、INIT 位配置、增益校准使能等），确保模拟前端与 ADC 稳定，关键步骤如下（完整序列见文档表 6-10）：

1. 选择寄存器 bank1（0x03 寄存器写 0x0002），配置 INIT_2=1（0xF6 寄存器）。
2. 切换至 bank2（0x03 寄存器写 0x0010），配置 INIT_3~INIT_5 位，等待 10μs 后复位 INIT_5。
3. 使能增益校准（0x33、0x34 寄存器），选择数据格式（二进制补码 / 无符号二进制，0x0D 寄存器）。

3. 校准功能

• 增益误差校准 ：通过 GE_CAL_EN1~GE_CAL_EN4 寄存器位（0x0D、0x33、0x34）全局使能，校准后输入范围精度提升，未校准时光栅范围会扩大 2.4%（如 ±5V 变为 ±5.12V）。
• 偏移误差校准 ：支持通过外部电路短路输入（AINxP=AINxM），采集偏移数据后写入寄存器补偿。

五、接口与数据传输

1. SPI 配置接口

• 功能 ：用于寄存器读写（配置输入范围、滤波模式、参考选择等），支持菊花链拓扑（多器件级联减少 SPI 引脚），帧长度 24 位（8 位地址 + 16 位数据）。
• 关键时序 ：SCLK 最高频率 20MHz，CS 高电平最小持续时间 220ns，SDI 数据建立时间 10ns、保持时间 5ns。

2. 数据输出接口

• 模式配置 ：通过 DATA_LANES（0xC1 寄存器）选择 2 通道（D3、D1 输出）或 4 通道（D3~D0 输出），DATA_RATE 选择 SDR 或 DDR 模式，数据格式为 24 位（18 位转换结果 + 6 位 0），MSB 优先。
• 同步与时钟 ：SMPL_SYNC 引脚用于多 ADC 同步采样；DCLKOUT 频率由采样时钟、通道数与数据率决定（如 ADS9817 4 通道 DDR 模式下，DCLKOUT=48MHz）。
• 测试模式 ：支持固定模式、数字斜坡、交替模式等测试图案（0x13~0x1B 寄存器），用于验证数据接口完整性。

六、寄存器配置

1. 寄存器 bank 划分

• Bank0（地址 00h-06h） ：全局控制，如寄存器 bank 选择（0x03）、复位（0x00）、菊花链长度（0x01）。
• Bank1（地址 0Dh、12h、C0h-C5h 等） ：核心功能配置，如输入范围（C2h/C3h）、滤波带宽（C0h）、参考选择（C1h）、增益校准（0x0D、0x33）、数据接口（C1h）。
• Bank2（地址 0Ah、12h、13h） ：初始化控制，如 INIT_3~INIT_5 位（用于上电初始化）。

2. 关键寄存器示例

寄存器地址	功能	关键位配置示例
0x0D	数据格式与增益校准	DATA_FORMAT=1（二进制补码），GE_CAL_EN1=3（全局增益校准使能）
0xC0	带宽与掉电控制	ANA_BW [7:0]=0xFF（所有通道宽带宽模式），PD_CH=0（正常工作）
0xC1	参考与数据接口	PD_REF=0（启用内部参考），DATA_LANES=0（4 通道），DATA_RATE=0（DDR 模式）
0xC2/C3	输入范围	RANGE_CH1=0（±5V），RANGE_CH8=5（±12V）

七、应用与设计建议

1. 典型应用场景

• 参数测量单元（PMU） ：用于半导体测试设备，同步采集多通道电压 / 电流信号，配合 DAC 实现高精度力 / 测功能（见图 8-1/8-2）。
• 电池化成测试 ：监测电池充电 / 放电过程中的电压、电流变化，宽输入范围适配不同电池类型（如锂电池、铅酸电池）。
• 高精度 DAQ ：用于工业过程控制、医疗设备（如超声设备前端），低噪声模式提升小信号采集精度。

2. 设计建议

• 电源与去耦 ：AVDD_5V、VDD_1V8、IOVDD 需独立去耦（1μF 钽电容 + 0.1μF 陶瓷电容靠近引脚），模拟地与数字地单点连接（热焊盘处）。
• 输入驱动 ：虽支持直接接传感器，但长距离信号需加缓冲（如 THS4551）；输入过压时需串联限流电阻（如 1kΩ），避免输入电流超 10mA。
• 参考电路 ：REFIO 引脚需并联 10μF 陶瓷电容（靠近引脚），外部参考推荐 REF7040（低温漂 4.096V 参考）。
• PCB 布局 ：模拟信号（AINxP/AINxM、REFIO）与数字信号（SCLK、D0~D3）分开布线，避免交叉；热焊盘通过过孔连接至地平面，优化散热。