深入解析ADS8361：高性能16位A/D转换器的技术洞察

 

在电子工程师的日常工作中，选择一款合适的A/D转换器至关重要。今天，我们就来深入探讨德州仪器（Texas Instruments）的ADS8361，一款高性能的双路、16位、500kSPS的A/D转换器。

文件下载：ads8361.pdf

一、产品概述

ADS8361是一款高速、低功耗的A/D转换器，可在+3V/+5V电源下工作。它具有四个全差分输入通道，分为两对，能够实现高速、同步的信号采集。其典型的共模抑制比可达80dB，在高噪声环境中表现出色。该转换器包含双路4μs逐次逼近型A/D转换器、两个差分采样保持放大器、一个内部+2.5V参考源（带有REFIN和REF OUT引脚）以及高速串行接口。

二、关键特性

（一）高性能转换

• 分辨率与精度：具备16位分辨率，无失码误差可达14位，积分线性误差最小为±3 LSB，最大为±8 LSB，能提供高精度的转换结果。
• 转换速度：每通道吞吐量为2μs，四通道总吞吐量为4μs，采样率高达500kSPS，可满足高速数据采集需求。

（二）低功耗设计

功耗仅为150mW，在保证高性能的同时，有效降低了系统的能耗，适用于对功耗敏感的应用场景。

（三）灵活的接口

提供灵活的串行接口，支持多种数字输入输出逻辑电平，如LVCMOS、CMOS等，方便与不同的数字系统进行接口。

（四）宽温度范围

工作温度范围为–40°C至+125°C，能适应各种恶劣的工作环境。

三、应用领域

• 电机控制：在电机控制中，需要精确采集电机的电流、电压等信号，ADS8361的高精度和高速转换能力能够实时准确地获取这些信号，从而实现对电机的精确控制。
• 多轴定位系统：多轴定位系统对位置和速度的控制精度要求极高，ADS8361可以同步采集多个轴的信号，确保系统的稳定性和准确性。
• 三相功率控制：在三相功率控制中，需要对三相电压和电流进行精确测量，ADS8361的差分输入和高共模抑制比特性能够有效抑制干扰，提供准确的测量结果。

四、技术细节分析

（一）采样保持部分

采样保持放大器允许A/D转换器将满量程幅度的输入正弦波精确转换为16位精度。其输入带宽大于A/D转换器的奈奎斯特速率，即使在最大吞吐量500kSPS时也能满足要求。典型的孔径延迟时间为3.5ns，孔径抖动为50ps，能够准确捕捉交流输入信号的相位信息。

（二）参考源

正常工作时，REF OUT引脚应直接连接到REFIN引脚，为ADS8361提供内部+2.5V参考源。该转换器也支持1.2V至2.6V的外部参考源，对应全量程范围为2.4V至5.2V。内部参考源经过缓冲，可驱动外部负载，但需注意负载电容的大小。

（三）模拟输入

模拟输入为双极性全差分输入，驱动方式有单端和差分两种。单端输入时，–IN输入保持在共模电压，+IN输入围绕该电压摆动；差分输入时，输入幅度为+IN和–IN输入的差值。在使用时，要确保驱动+IN和–IN输入的源输出阻抗匹配，否则可能会导致偏移误差、增益误差和线性误差。

（四）过渡噪声

通过对低噪声直流输入进行8000次转换并绘制直方图，可以看到ADS8361的数字输出会因内部噪声而产生输出码的变化。为了实现低噪声性能，输入信号和参考源的峰峰值噪声必须小于50μV。

（五）双极性输入

ADS8361的差分输入设计可接受围绕内部参考电压（2.5V）的双极性输入。通过一个简单的运算放大器电路和四个外部电阻，可实现对±2.5V、±5V和±10V等常见双极性输入范围的支持。

（六）时序和控制

ADS8361可通过地址引脚M0、M1和A0配置四种不同的工作模式：

• 模式I（M0 = 0，M1 = 0）：双通道操作，需使用A0引脚在通道A和B之间切换。转换通过将CONVST引脚置高至少15ns来启动。为确保转换的确定性，CONVST引脚应在外部时钟下降沿前至少10ns或下降沿后5ns置高。
• 模式II（M0 = 0，M1 = 1）：与模式I类似，但数据仅通过串行数据A引脚输出，串行数据B引脚在转换后呈高阻态。完成两个A/D转换器的转换需要40个时钟周期，耗时4μs。
• 模式III（M0 = 1，M1 = 0）：依次循环通道0和1，A0引脚被忽略。串行输出A和B均处于活动模式。
• 模式IV（M0 = 1，M1 = 1）：与模式II类似，数据仅通过串行A输出线传输，串行B输出在M1置高后的第一次转换后进入高阻态。当M1 = 1时，第二个CONVST命令总是被忽略。

五、设计注意事项

（一）布局设计

为了获得最佳性能，ADS8361的电路布局至关重要。特别是当CLOCK输入接近最大吞吐量速率时，要注意以下几点：

• 电源和地：为ADS8361提供干净、良好旁路的电源。在器件附近放置0.1μF陶瓷旁路电容，并推荐使用1μF至10μF的电容。如果需要，可使用更大的电容和5Ω或10Ω的串联电阻对噪声电源进行低通滤波。GND引脚应连接到干净的地，避免与微控制器或数字信号处理器（DSP）的接地端过近。
• 参考源：无论参考源是内部还是外部，VREF引脚都应使用0.1μF电容进行旁路。如果参考源来自运算放大器，要确保其能够驱动旁路电容而不产生振荡。使用内部参考源时，无需旁路电容，可直接将引脚10连接到引脚11。

（二）数据读取

在所有四种工作模式中，CONVST引脚和RD引脚可以连接在一起，也可以分开。串行输出引脚（A和B）上的数据在RD引脚上升沿后的第三个SCLK上升沿后变得有效。具体的数据输出格式可参考相关表格。

六、总结

ADS8361凭借其高性能、低功耗、灵活的接口和宽温度范围等优势，成为电机控制、多轴定位系统和三相功率控制等应用领域的理想选择。作为电子工程师，在设计过程中，我们需要充分了解其特性和工作模式，合理进行布局和控制，以发挥其最大性能。你在使用A/D转换器的过程中遇到过哪些挑战？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。