深入解析ADS7830：8位8通道采样A/D转换器的卓越性能与应用

 

在电子设计领域，A/D转换器作为模拟信号与数字信号之间的桥梁，其性能直接影响着整个系统的精度和稳定性。今天，我们将深入探讨德州仪器（TI）的ADS7830，一款具有出色性能和广泛应用前景的8位8通道采样A/D转换器。

文件下载：ads7830.pdf

一、ADS7830概述

ADS7830是一款单电源、低功耗的8位数据采集设备，具备串行I²C接口和8通道多路复用器。它采用逐次逼近寄存器（SAR）架构，基于电容重新分配原理，天生集成了采样保持功能。该转换器采用0.6µm CMOS工艺制造，内部由自由运行时钟控制。当不进行转换或未被寻址时，A/D转换器核心会断电，内部时钟停止工作，有效降低了功耗。

二、关键特性

高精度与高速度

• 采样率：ADS7830具备70kHz的采样率，能够快速准确地采集模拟信号，满足大多数应用场景对数据采集速度的要求。
• 线性度：其积分非线性（INL）和微分非线性（DNL）误差仅为±0.5LSB，保证了转换结果的高精度，且8位分辨率无丢失码，确保了数据的准确性和可靠性。

丰富的输入通道与灵活的工作模式

• 输入通道：提供4个差分输入通道或8个单端输入通道，可根据实际需求灵活选择输入方式，适应不同的信号采集场景。
• 工作模式：支持2.7V至5V的宽电压范围工作，内置2.5V参考电压和缓冲器，还支持标准、快速和高速三种I²C模式，满足不同系统对通信速度的要求。

低功耗设计

在不同的工作模式下，ADS7830都展现出了出色的低功耗特性。标准模式下功耗仅为180μW，快速模式为300μW，高速模式为675μW，非常适合电池供电的系统和对功耗要求较高的应用。

引脚兼容性与封装形式

该转换器与ADS7828引脚直接兼容，方便进行升级和替换。采用TSSOP - 16封装，体积小巧，节省电路板空间。

一、引言

在电子工程师的日常设计工作中，模拟 - 数字转换器（ADC）是不可或缺的关键组件。它负责将模拟信号转换为数字信号，为后续的数字处理和分析提供基础。TI公司的ADS7830就是一款性能出色的8位、8通道采样ADC，凭借其高性价比、低功耗和丰富的功能，在众多领域得到了广泛应用。今天，我们就来深入了解一下这款转换器。

三、应用领域

电压供应监测

在许多电子系统中，需要实时监测电源电压的变化，以确保系统的稳定运行。ADS7830可以快速准确地采集电源电压信号，并将其转换为数字信号，供微控制器或其他数字电路进行处理和分析。一旦检测到电压异常，系统可以及时采取措施，避免设备损坏。

隔离数据采集

在一些对安全性和抗干扰性要求较高的应用场景中，如工业自动化、电力系统监测等，需要对模拟信号进行隔离采集。ADS7830支持差分输入模式，能够有效抑制共模干扰，同时其I²C接口可以方便地与隔离芯片配合使用，实现数据的隔离传输。

传感器接口

各种传感器输出的信号通常为模拟信号，需要通过ADC转换为数字信号后才能被微控制器处理。ADS7830具有丰富的输入通道和高精度的转换能力，可以与多种传感器配合使用，如温度传感器、压力传感器、光电传感器等，实现对环境参数的实时监测。

电池供电系统

由于ADS7830具有低功耗的特点，非常适合应用于电池供电的系统中，如便携式设备、无线传感器网络等。在这些系统中，低功耗意味着更长的电池续航时间，减少了频繁更换电池的麻烦。

远程数据采集

在一些远程监测和控制应用中，需要将现场的模拟信号采集并传输到远程监控中心。ADS7830的I²C接口支持长距离通信，并且可以通过总线扩展多个设备，方便实现远程数据采集和传输。

四、工作原理与内部结构

逐次逼近寄存器（SAR）架构

ADS7830采用经典的逐次逼近寄存器（SAR）架构，基于电容重新分配原理工作，本身包含采样和保持功能。这种架构的优点是转换速度快、功耗低，适合大多数数据采集应用。

内部时钟与电源管理

该转换器由内部自由运行的时钟控制。当ADS7830不进行转换或未被寻址时，会关闭A/D转换器核心电源，内部时钟也停止工作，从而降低功耗。

模拟输入与采样过程

当转换器进入保持模式时，选定的CHx引脚电压会被捕获到内部电容阵列上。模拟输入的电流取决于设备的转换速率，在采样期间，信号源需要对内部采样电容（典型值为25pF）进行充电，电容充满后，不再有输入电流。

参考电压

ADS7830可以使用内部2.5V参考电压或外部参考电压。当使用+5V电源时，需要外部+5V参考电压以提供0V至+VDD模拟输入的完整动态范围；使用+2.7V电源时，内部+2.5V参考电压即可满足需求。随着参考电压降低，每个数字输出代码的模拟电压权重会减小，即LSB（最低有效位）尺寸变小，这会使A/D转换器固有的任何偏移或增益误差在LSB尺寸上显得更大，同时转换器的固有噪声也会显得更大。不过，通过对连续转换结果进行平均，可以降低由内部噪声引起的误差。

五、数字接口与通信协议

I²C总线支持

ADS7830支持标准、快速和高速三种I²C模式，通过SDA（串行数据）和SCL（串行时钟）两条线与主设备进行通信。在I²C总线中，主设备负责生成串行时钟脉冲、控制总线访问以及产生START和STOP条件，ADS7830作为从设备响应主设备的指令。

数据传输类型

根据R/W位的状态，I²C总线上的数据传输有两种类型：

• 主设备向从设备写数据：主设备发送的第一个字节是从设备地址，随后是若干数据字节。从设备在接收到从设备地址和每个数据字节后返回一个确认位。
• 从设备向主设备读数据：主设备发送从设备地址，从设备返回确认位，然后从设备向主设备发送若干数据字节。主设备在接收到除最后一个字节外的所有数据字节后返回确认位，最后一个字节返回非确认位。

地址字节与命令字节

• 地址字节：由主设备发送，前五位（MSBs）为工厂预设的10010，接下来两位是设备选择位A1和A0，由ADS7830的输入引脚（A1 - A0）决定，最后一位（R/W）定义操作类型，‘1’表示读操作，‘0’表示写操作。
• 命令字节：决定ADS7830的工作模式，包括单端/差分输入选择（SD）、通道选择（C2 - C0）和电源管理（PD1 - PD0）等。

六、数据读取与操作流程

启动转换

主设备对ADS7830进行写寻址后，当ADS7830接收到命令字节的第4位时，开启A/D转换器并开始转换。如果命令字节正确，ADS7830会返回ACK条件。

读取数据

通过对ADS7830进行读寻址（地址字节的LSB设置为‘1’）并接收传输的字节，可以读取转换后的数据。只有在启动转换后才能从ADS7830读取转换数据。

不同模式下的数据读取

• F/S模式（快速或标准模式）：主设备在读取转换数据结束后，可以向ADS7830发出重复START条件，以确保A/D转换器后续转换的总线操作。这是进行连续转换的最有效方式。
• HS模式（高速模式）：由于HS模式速度快，代码可以逐个读出。在HS模式下，从接收到重复START条件到读寻址字节之间，单个转换可能无法完成，因此ADS7830在完全接收到读寻址字节后会拉伸时钟，将其保持为低电平，直到转换完成。

参考电压的使用与注意事项

• 内部参考电压：使用内部参考电压时，命令字节的PD1位必须始终设置为逻辑‘1’，同时要考虑内部参考电压的建立时间，以实现8位精度转换。当内部参考电压关闭后再开启时，需要足够的建立时间才能获得准确的转换结果。
• 外部参考电压：使用外部参考电压时，PD1位必须设置为‘0’，并且外部参考电压必须稳定。

七、PCB布局建议

电源供应

为了保证ADS7830的性能，电源应干净且经过良好的旁路处理。建议在靠近器件的位置放置一个0.1μF的陶瓷旁路电容，如果+VDD与电源之间的连接阻抗较高，可能还需要一个1μF至10μF的电容。

参考电压输入

ADS7830对外部参考输入的噪声和电压变化没有固有的抑制能力，因此当参考输入连接到电源时，需要特别注意。电源中的任何噪声和纹波都会直接出现在数字结果中，虽然高频噪声可以通过滤波去除，但由电源频率（50Hz或60Hz）引起的电压变化可能较难消除。

接地处理

GND引脚应连接到干净的接地点，通常是“模拟”接地。应避免与微控制器或数字信号处理器的接地点过于接近，理想的布局应包括一个专门用于转换器和相关模拟电路的模拟接地平面。

八、总结

ADS7830作为一款高性能、低功耗的8位A/D转换器，凭借其丰富的功能、高精度的转换能力和灵活的工作模式，在众多领域都有着广泛的应用前景。电子工程师在设计过程中，需要根据具体的应用需求，合理选择工作模式、参考电压和输入方式，并注意PCB布局的优化，以充分发挥ADS7830的性能优势。同时，在实际应用中，还需要不断总结经验，解决遇到的问题，提高设计的可靠性和稳定性。大家在使用ADS7830的过程中，有没有遇到过什么特别的问题或者有什么独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。