深度剖析ADS8321：16位高速微功耗采样ADC的卓越性能与应用

 

在电子工程师的设计世界里，选择一款合适的模数转换器（ADC）至关重要。它不仅要满足高精度、高速度的要求，还要具备低功耗等特性。今天，我们就来深入探讨德州仪器（Texas Instruments）的ADS8321，一款16位高速微功耗采样ADC，看看它究竟有何独特之处。

文件下载：ads8321.pdf

一、器件概述

ADS8321是一款经过严格测试的16位采样ADC，其工作电压范围为4.75V至5.25V。即使在高达100kHz的数据速率下运行，它的功耗也极低。在较低数据速率时，其高速特性使它大部分时间能处于掉电模式，例如在10kHz数据速率下，平均功耗小于1mW。

二、关键特性

2.1 输入范围与采样速率

ADS8321具有双极性输入范围，采样速率可达100kHz，能满足多种应用场景对信号采集速度的要求。

2.2 低功耗设计

• 工作功耗：在100kHz采样速率下，功耗仅为4.5mW；在10kHz采样速率时，功耗降至1mW。
• 掉电模式：最大电流仅3µA，有效降低了系统整体功耗，非常适合电池供电系统。

2.3 封装与兼容性

采用MSOP - 8封装，体积小巧，且引脚与ADS7816和ADS7822兼容，方便工程师进行设计替换。

2.4 接口方式

具备串行（SPI/SSI）接口，便于与微处理器和其他数字系统进行通信。

三、应用领域

ADS8321的应用范围十分广泛，涵盖了电池供电系统、远程数据采集、隔离数据采集、同步采样多通道系统、工业控制、机器人技术以及振动分析等多个领域。

四、工作原理

ADS8321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，本身包含采样/保持功能。它采用0.6µ CMOS工艺制造，这种架构和工艺使得ADS8321能够以每秒高达100,000次的转换速度采集和转换模拟信号，同时从 +VCC 吸取的功率小于5.5mW。

4.1 外部参考与时钟

• 参考电压：需要外部参考电压，范围为500mV至VCC / 2，参考电压直接决定了模拟输入的范围。
• 时钟信号：外部时钟频率可在24kHz（1kHz吞吐量）至2.4MHz（100kHz吞吐量）之间变化，时钟的占空比只要满足高低电平最小时间至少为200ns（4.75V或更高）即可。

4.2 模拟输入

模拟输入为双极性全差分输入，有单端和差分两种驱动方式。输入电流取决于采样率、输入电压和源阻抗等因素，在采样期间为内部电容阵列充电。同时，要注意模拟输入的绝对电压范围，超出范围可能导致转换器线性度不满足规格要求。

4.3 数字输出

转换的数字结果通过DCLOCK输入时钟输出，以串行方式在DOUT引脚输出，先输出最高有效位。转换过程中无流水线延迟，转换完成后也可继续时钟操作以获取最低有效位在前的串行数据。

五、性能参数

5.1 分辨率与精度

分辨率为16位，不同型号（如ADS8321E和ADS8321EB）在积分线性误差、偏移误差、增益误差等方面有不同的规格表现。

5.2 系统性能

• 共模抑制比（CMRR）：在4.7V < Vcc < 5.25V条件下，可达60 - 80dB。
• 电源抑制比（PSRR）：能有效抑制电源波动对转换结果的影响。

5.3 动态特性

在10kHz、5Vp - p输入信号下，总谐波失真（THD）、SINAD、无杂散动态范围（SFDR）和信噪比（SNR）等指标表现出色，保证了信号转换的质量。

六、设计要点

6.1 布局设计

• 电源与参考：电源要干净且充分旁路，使用0.1µF陶瓷旁路电容靠近芯片放置，必要时用1µF - 10µF电容和5Ω - 10Ω电阻进行低通滤波。参考电压同样需要旁路，避免噪声和电压变化影响转换结果。
• 接地处理：GND引脚应连接到干净的接地点，最好是模拟地，避免靠近微处理器等数字电路的接地端，理想布局应包含模拟接地平面。

6.2 数字接口

• 信号电平：数字输入能承受高达5.5V的逻辑电平，CMOS数字输出（DOUT）摆动范围为0V至VCC。
• 串行接口：通过同步3线串行接口与外部通信，DCLOCK信号同步数据传输，数据在其下降沿传输。

6.3 功耗优化

• 转换速率：选择满足系统需求的最低转换速率，降低功耗。
• 掉电模式：利用CS信号控制，使芯片在转换完成或CS为高电平时进入掉电模式，减少不必要的功耗。
• 短循环技术：根据实际需求，在获取所需位数后提前终止转换，降低功耗或提高转换速率。

七、应用电路示例

图11展示了一个基本的数据采集系统，ADS8321的参考输入直接连接到电源，输入范围为0V至VCC。通过5Ω电阻和1µF - 10µF电容过滤微控制器和电源的噪声，确保系统稳定运行。

八、总结

ADS8321凭借其高速、低功耗、高精度等特性，成为电池供电系统、数据采集等领域的理想选择。在设计过程中，工程师需充分考虑其布局、接口、功耗等方面的要点，以发挥其最佳性能。希望本文能为电子工程师在使用ADS8321进行设计时提供有益的参考，大家在实际应用中遇到任何问题，欢迎在评论区交流讨论。