深入解析ADS8507：16位低功耗采样ADC的卓越之选

 

在电子工程师的日常工作中，模拟 - 数字转换器（ADC）是一个关键的组件，它在工业过程控制、测试设备、医疗设备等众多领域都有着广泛的应用。今天，我们就来深入探讨一款来自德州仪器（Texas Instruments）的高性能ADC——ADS8507。

文件下载：ads8507.pdf

一、ADS8507概述

ADS8507是一款完整的低功耗、单5V供电的16位采样ADC。它集成了一个基于电容的16位逐次逼近寄存器（SAR）ADC，同时包含采样保持电路、时钟、参考源和数据接口。这款ADC具有多种输入范围，包括±10V、4V和5V，并且在输入电压达到±25V时也不会对转换器造成损坏，这为工程师在设计时提供了很大的灵活性。

二、主要特性与优势

2.1 高性能指标

• 采样率与输入范围：ADS8507的最小采样率为40kHz，支持4V、5V和±10V的输入范围，能够满足不同应用场景的需求。
• 高分辨率与线性度：具有16位分辨率，无失码现象，最大积分非线性（INL）为±1.5 LSB，最大微分非线性（DNL）为+1.5/–1 LSB，确保了高精度的转换。
• 出色的信号质量：在10kHz输入时，信纳比（SINAD）可达89.9dB，能够有效减少信号失真。

2.2 灵活的接口与低功耗设计

• 接口兼容性：提供SPI兼容的串行输出，支持菊花链（TAG）功能，同时具备全并行接口，可根据实际需求选择合适的接口方式。
• 低功耗特性：典型功耗为24mW，最大功耗为30mW（在40KSPS时），还有最大50µW的掉电模式，非常适合对功耗要求较高的应用。

2.3 其他特性

• 内部参考源：可使用内部或外部2.5V参考源，方便工程师进行设计。
• 输出代码格式：支持2's Comp或BTC输出代码，满足不同系统的需求。

三、应用领域

ADS8507的高性能和低功耗特性使其在多个领域都有广泛的应用：

• 工业过程控制：在工业自动化系统中，需要对各种模拟信号进行精确采集和处理，ADS8507的高精度和高可靠性能够满足这一需求。
• 测试设备：用于测试和测量仪器，确保对信号的准确采集和分析。
• 医疗设备：在医疗监测和诊断设备中，对信号的精度和稳定性要求较高，ADS8507能够提供可靠的性能。
• 数据采集系统：可用于数据采集卡等设备，实现对模拟信号的高效采集和转换。

四、电气特性分析

4.1 绝对最大额定值

了解ADS8507的绝对最大额定值对于正确使用和保护器件至关重要。例如，模拟输入电压R1IN最大为+25V，R2IN为±25V，最大结温为165℃等。在设计时，必须确保器件的工作条件在这些额定值范围内，以避免器件损坏。

4.2 电气参数

• 分辨率与线性度：16位分辨率保证了高精度的转换，同时INL和DNL的指标也确保了良好的线性度。
• 噪声与误差：转换噪声（TN）为0.8 LSB，增益误差为±0.2%，满量程误差为±0.5%等，这些参数反映了ADC的性能稳定性。
• 交流特性：无杂散动态范围（SFDR）在1kHz输入时可达90 - 100dB，总谐波失真（THD）为 - 100 - - 90dB，这些指标表明ADS8507在交流信号处理方面具有出色的性能。

五、基本操作与数据读取

5.1 启动转换

通过控制CS和R/C引脚的电平，可以启动转换。当CS和R/C同时为低电平且持续至少40ns时，ADS8507进入采样保持状态并开始转换。在转换过程中，BUSY引脚会变为低电平，直到转换完成。

5.2 数据读取

ADS8507可以输出串行或并行数据，数据格式可以是直二进制（SB）或二进制补码（BTC）。在读取数据时，需要注意不同输出模式下的操作方法和时序要求。例如，在并行输出模式下，可以通过BYTE引脚选择读取高8位或低8位数据；在串行输出模式下，数据会在DATACLK的同步下输出。

5.3 不同输出模式的特点

• 并行输出：可以直接读取数据，不会影响内部输出寄存器，但需要注意数据的有效时间和BUSY信号的状态。在转换过程中，BUSY为低电平时，新的转换命令会被忽略。
• 串行输出：通过数据时钟将数据逐位输出，会使内部输出寄存器移位。使用内部数据时钟或外部数据时钟时，需要注意时钟的同步和时序要求。

六、输入范围与校准

6.1 输入范围

ADS8507提供了三种输入范围：±10V、0 - 5V和0 - 4V，可根据实际应用选择合适的输入范围。同时，输入阻抗会根据不同的输入范围和外部电阻的组合而有所不同。

6.2 校准方法

• 硬件校准：通过安装特定的电阻，可以对偏移和增益进行调整。不同输入范围的偏移和增益调整范围不同，例如±10V输入范围的偏移调整范围为±15mV，增益调整范围为±60mV。
• 软件校准：在某些情况下，可以不使用外部电阻，通过软件对偏移和增益进行校正。但需要注意的是，不使用外部电阻可能会导致偏移和增益误差增大。

七、参考与电源管理

7.1 参考源

ADS8507可以使用内部2.5V参考源或外部参考源。内部参考源的漂移为±8 ppm/°C，约占满量程误差的20%。在使用外部参考源时，需要注意参考电压的范围（2.3V - 2.7V）和电容的选择，以确保参考信号的稳定性。

7.2 电源管理

• 电源引脚：模拟电源（VANA）和数字电源（VDIG）建议连接到相同的+5V电源，以减少电源噪声的影响。
• 掉电模式：通过PWRD和REFD引脚可以实现模拟电源和参考电源的掉电功能，典型功耗为50µW，恢复时间约为1ms。

八、布局与信号处理

8.1 布局要点

• 电源布局：将模拟和数字电源引脚连接到同一+5V电源，并将模拟和数字地连接在一起，以减少电源干扰。
• 接地布局：ADS8507有三个接地引脚（DGND、AGND1、AGND2），应将它们连接到模拟接地平面，与系统的数字逻辑地分开，以提高抗干扰能力。

8.2 信号处理

• 电荷注入：ADS8507的采样FET开关产生的电荷注入较少，对驱动运放的要求较低，一般的运放都可以满足驱动要求。
• 过压保护：其电阻前端提供了±25V的过压保护，在大多数情况下可以省去外部过压保护电路。

九、应用信息与接口设计

9.1 过渡噪声与平均处理

• 过渡噪声：ADS8507的过渡噪声（TN）为0.8 LSB，通过直方图可以观察到输出代码的分布情况。统计上，在1000次转换中，最多有3个代码可能落在±3σ分布之外。
• 平均处理：通过对数字代码进行平均处理，可以降低噪声。例如，平均4次转换结果可以将TN降低到0.4 LSB。

9.2 接口设计

• QSPI接口：与QSPI接口的微控制器连接时，需要注意配置微控制器以监测从选择线（SS）的状态，确保与ADC同步。在不同的接口配置中，需要根据具体情况设置转换脉冲和数据传输的参数。
• SPI接口：对于SPI接口的微控制器，可能需要软件来生成转换脉冲，这在一定程度上限制了其在交流应用中的使用。

十、总结与建议

ADS8507是一款性能优异的16位采样ADC，具有高分辨率、低功耗、灵活的接口和出色的信号处理能力。在实际设计中，电子工程师需要根据具体的应用需求，合理选择输入范围、校准方法和接口方式，同时注意布局和信号处理的要点，以充分发挥ADS8507的性能优势。

建议工程师在设计过程中，仔细阅读数据手册，进行充分的测试和验证，确保系统的稳定性和可靠性。同时，可以根据实际情况参考应用信息和接口设计部分的内容，优化系统的性能。你在使用ADS8507的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。