深入剖析德州仪器ADS7864：高速12位6通道同步采样ADC的卓越性能与应用

 

在电子设计领域，模拟 - 数字转换器（ADC）是连接模拟世界和数字世界的关键桥梁。德州仪器（TI）的ADS7864作为一款高性能的ADC，在众多应用场景中展现出了卓越的性能。今天，我们就来深入剖析一下这款ADS7864 ADC。

文件下载：ads7864.pdf

一、产品概述

ADS7864是一款双12位、500kHz的模拟 - 数字转换器，具备6个全差分输入通道，这些通道被分为三对，能够实现高速同步信号采集。它采用TQFP - 48封装，工作温度范围为 - 40°C至 + 85°C。

（一）主要特性

• 6通道同步采样：可以同时对6个通道的信号进行采样，这对于需要同步监测多个信号的应用场景非常重要，比如电机控制、多轴定位系统等。
• 全差分输入：输入到采样保持放大器的信号是全差分的，并且在传输到ADC输入时也保持差分，这使得它在50kHz时具有80dB的出色共模抑制比，在高噪声环境中表现优异。
• 低功耗：功耗仅为50mW，适合对功耗要求较高的应用。
• 并行接口：提供并行接口和控制输入，能够有效减少软件开销。每个通道的输出数据以16位字（地址和数据）的形式提供。
• 1MHz有效采样率：能够满足高速信号采集的需求。
• 6X FIFO：具备6倍的先进先出（FIFO）缓存，方便数据的存储和处理。

（二）应用领域

ADS7864的特性使其在多个领域都有广泛的应用，主要包括：

• 电机控制：在电机控制中，需要实时监测多个参数，如电流、电压等，ADS7864的同步采样功能可以确保准确获取这些参数的相对相位信息，从而实现更精确的控制。
• 多轴定位系统：多轴定位系统需要对多个轴的位置、速度等信号进行同步采集和处理，ADS7864的多通道同步采样能力可以满足这一需求。
• 三相功率控制：三相功率控制中，需要对三相电压和电流进行同步监测，ADS7864的高共模抑制比和同步采样特性可以保证测量的准确性。

二、电气特性分析

（一）分辨率与输入范围

ADS7864的分辨率为12位，输入电压范围为双极性，以内部 + 2.5V参考电压为中心，范围从 - VREF到 + VREF。绝对输入范围为 - 0.3V至 + VA + 0.3V，输入电容为15pF，输入泄漏电流在CLK = GND时为 ± 1µA。

（二）系统性能

• 无失码：保证了12位的无失码性能，确保了数据转换的准确性。
• 线性度：积分线性度误差在不同型号中有所不同，如ADS7864Y为 ± 0.75LSB，ADS7864YB为 ± 0.5LSB；差分线性度误差在参考REFIN时也有相应的指标。
• 增益误差：正、负增益误差在参考REFIN时也有明确的指标，如ADS7864Y的正增益误差为 ± 0.15%至 ± 0.75% FSR，ADS7864YB为 ± 0.1%至 ± 0.5% FSR。
• 共模抑制比：在直流时为84dB，在50kHz、VIN = + 1.25Vpp时为80dB，这使得它在抑制共模噪声方面表现出色。
• 噪声性能：噪声为120µV RMS，电源抑制比为0.3至2LSB。

（三）采样动态特性

• 转换时间：每个A/D转换器的转换时间为1.75µs，采集时间为0.25µs。
• 吞吐量率：吞吐量率为500kHz，能够满足高速采样的需求。
• 孔径延迟与抖动：孔径延迟为3.5ns，孔径延迟匹配为100ps，孔径抖动为50ps，这些参数保证了对交流输入信号的准确捕捉。
• 小信号带宽：小信号带宽为40MHz，确保了在较宽的频率范围内能够准确采集信号。

（四）动态特性

• 总谐波失真：在VIN = 2.5Vpp、100kHz时为 - 75dB。
• SINAD：在VIN = 2.5Vpp、100kHz时为71dB。
• 无杂散动态范围：在VIN = 2.5Vpp、100kHz时为78dB。
• 通道间隔离：在VIN = + 2.5Vpp、50kHz时为 - 76dB，保证了通道之间的独立性。

（五）电压参考

内部参考电压为2.475V至2.525V，内部漂移为10ppm/°C，内部噪声为50µVPP，内部源电流为2mA，内部负载抑制为0.005mV/µA，内部PSRR为80dB。外部参考电压范围为1.2V至2.6V。

（六）数字输入/输出

逻辑家族为CMOS，逻辑电平有明确的规定，如VIH在IH = + 5µA时为3.0V至 + VD + 0.3V，VIL在IL = + 5µA时为 - 0.3V至0.8V等。外部时钟频率范围为0.2至8MHz，数据格式为二进制补码。

（七）电源要求

电源电压 + VA和 + VD范围为4.75V至5.25V，静态电流为10mA，功耗为50mW。

三、引脚配置与功能

ADS7864共有48个引脚，每个引脚都有其特定的功能，下面介绍一些关键引脚：

• 电源引脚：+ VA为模拟电源，通常为 + 5V；+ VD为数字电源，为 + 5VDC；AGND为模拟地，DGND为数字地。
• 时钟与控制引脚：CLOCK为外部时钟输入引脚，控制CDAC的转换速率；RD为读输入引脚，与片选配合使用时使能并行输出；CS为片选引脚；HOLDA、HOLDB、HOLDC分别用于将通道A0/A1、B0/B1、C0/C1置于保持模式；RESET为复位引脚。
• 数据输出引脚：DB0 - DB15为数据输出引脚，其中DB15用于指示数据是否有效，DB14 - DB12用于存储通道地址信息，DB11 - DB0为12位数据位。
• 参考引脚：REFIN为参考输入引脚，REFOUT为参考输出引脚。

四、典型特性曲线分析

文档中给出了多个典型特性曲线，这些曲线反映了ADS7864在不同条件下的性能表现。

• 频谱特性：通过频谱曲线可以观察到ADS7864在不同频率下的信号响应情况，有助于分析其频率响应特性。
• 信噪比与失真特性：信号 - 噪声比（SNR）和信号 - （噪声 + 失真）比（SINAD）随输入频率和温度的变化曲线，能够帮助我们了解其在不同输入频率和温度条件下的噪声和失真性能。
• 增益与线性度特性：正、负增益匹配随温度的变化曲线以及积分、微分线性度误差随代码和温度的变化曲线，这些曲线对于评估其线性度和增益稳定性非常重要。

五、应用信息详解

（一）采样保持部分

ADS7864的采样保持放大器能够将输入的正弦波准确转换为12位精度的数字信号。其输入带宽大于ADC的奈奎斯特速率（采样率的一半），即使在最大吞吐量率500kHz时也是如此，典型小信号带宽为40MHz。典型孔径延迟时间为5ns，孔径抖动为50ps，这保证了能够准确捕捉交流输入信号。

（二）参考部分

在正常工作时，REF_OUT引脚应直接连接到REF_IN引脚，以提供内部 + 2.5V参考电压。该芯片也可以使用1.2V至2.6V的外部参考电压，对应全量程范围为2.4V至5.2V。内部参考是双缓冲的，如果使用内部参考驱动外部负载，在参考和负载之间会提供一个缓冲器。

（三）模拟输入部分

模拟输入为双极性全差分输入，可以采用单端或差分驱动方式。在单端输入时， - IN输入保持在共模电压， + IN输入围绕同一共模电压摆动；在差分输入时，输入幅度为 + IN和 - IN输入之间的差值。在使用时，要注意驱动 + IN和 - IN输入的源的输出阻抗匹配，否则可能会导致偏移误差。同时，要确保模拟输入电压在GND - 300mV至VDD + 300mV的范围内。

（四）双极性输入

ADS7864的差分输入设计用于接受围绕内部参考电压（2.5V）的双极性输入（ - VREF和 + VREF）。通过一个简单的运算放大器电路和四个外部电阻，可以将其配置为接受双极性输入，如 ± 2.5V、 ± 5V和 ± 10V输入范围。

（五）时序与控制

ADS7864使用外部时钟（CLOCK）控制CDAC的转换速率。在8MHz外部时钟下，A/D采样率为500kHz，对应最大吞吐量时间为2µs。转换由HOLDX信号启动，BUSY信号指示转换是否正在进行。

（六）数据读取

数据读取通过RD和CS引脚控制，两者都为低电平时使能输出。在转换开始12.5个时钟周期后，新数据被锁存到输出寄存器。读取数据时，要注意RD和CS的时序要求，以确保获取到正确的数据。

（七）输出模式

ADS7864有三种输出模式，通过A2、A1、A0引脚选择：

• 直接寻址模式：(A2 A1 A0) = 000至101时，可以直接寻址特定通道。
• 循环模式：(A2 A1 A0) = 110时，按A0、A1、B0、B1、C0、C1的顺序循环读取数据。
• FIFO模式：(A2 A1 A0) = 111时，先转换的数据先被读取，每个通道有三个输出寄存器用于存储数据。

六、布局注意事项

由于ADS7864的基本逐次逼近寄存器（SAR）架构对电源、参考、接地连接和数字输入上的毛刺或突然变化比较敏感，因此在布局时需要特别注意。

• 电源：要提供干净、经过良好旁路的电源。在设备附近放置0.1µF的陶瓷旁路电容，同时推荐使用1µF至10µF的电容。如果需要，可以使用更大的电容和5Ω或10Ω的串联电阻对噪声电源进行低通滤波。
• 参考电压：如果使用外部参考电压，要确保其能够驱动旁路电容而不产生振荡。使用内部参考时，不要使用旁路电容，将REF_OUT引脚直接连接到REF_IN引脚。
• 接地：AGND和DGND引脚应连接到干净的接地点，最好是“模拟”地。避免与微控制器或数字信号处理器的接地点过近连接，如果需要，可以直接从转换器引出接地走线到电源入口点。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。

七、总结

ADS7864是一款功能强大、性能优异的模拟 - 数字转换器，具有高速、高精度、低功耗等优点。在设计过程中，我们需要充分了解其特性、引脚功能、时序要求和布局注意事项，以确保在实际应用中能够发挥其最佳性能。同时，我们也要根据具体的应用场景，合理选择输出模式和参考电压等参数，以满足不同的设计需求。大家在使用ADS7864进行设计时，有没有遇到过一些独特的挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。