深入剖析ADS7844：高性能12位8通道串行输出ADC

 

在电子设计领域，模拟到数字的转换是一个关键环节，而ADS7844作为一款经典的12位8通道串行输出采样模拟 - 数字转换器，凭借其出色的性能和广泛的应用场景，备受工程师们的青睐。今天，我们就来深入剖析这款芯片，了解它的特点、性能、工作原理以及使用中的注意事项。

文件下载：ads7844.pdf

一、产品概述

1.1 关键特性

• 单电源供电：支持2.7V至5V的单电源供电，适用于多种电源环境，为不同的应用场景提供了灵活性。
• 多通道输入：具备8通道单端或4通道差分输入，能够满足多样化的信号采集需求。
• 高速转换：最高可达200kHz的转换速率，可快速准确地完成模拟信号到数字信号的转换。
• 高精度：±1 LSB的最大积分非线性（INL）和微分非线性（DNL），且无丢失码，确保了转换结果的准确性。
• 低噪声：72dB的信纳比（SINAD），有效降低了噪声对转换结果的影响。
• 串行接口：采用串行接口，便于与微控制器或数字信号处理器进行连接，实现数据的传输和控制。
• 多种封装：提供20 - 引脚QSOP和20 - 引脚SSOP封装，方便不同的PCB布局需求。

1.2 应用场景

ADS7844的特性使其在多个领域得到广泛应用，包括数据采集、测试与测量、工业过程控制、个人数字助理以及电池供电系统等。特别是在电池供电系统中，其低功耗特性能够有效延长设备的续航时间。

二、性能参数

2.1 电气特性

在不同的电源电压和工作条件下，ADS7844的性能参数有所不同。以+5V电源为例，在(T{A}=-40^{\circ} C)至+85°C的温度范围内，(V{REF }=+5 ~V)，(f{SAMPLE }=200 kHz)，(f{CLK}=16 \cdot f{SAMPLE}=3.2 MHz)时，其模拟输入、系统性能、采样动态、动态特性、参考输入、数字输入/输出以及电源供应等方面都有明确的参数要求。例如，模拟输入的全量程输入跨度为0 - (V{REF})，绝对输入范围为 - 0.2V至(+V_{CC}+0.2V)；系统性能方面，分辨率为12位，无丢失码，积分线性误差最大为±2 LSB等。

2.2 温度范围

ADS7844的指定工作温度范围为 - 40°C至+85°C，能够适应较为恶劣的工作环境。在不同的温度条件下，其性能可能会有所变化，因此在设计时需要考虑温度对芯片性能的影响。

三、工作原理

3.1 基本架构

ADS7844是一款基于逐次逼近寄存器（SAR）的模拟 - 数字转换器，采用电容重新分配架构，本身包含采样/保持功能。该芯片采用0.6µs CMOS工艺制造，具有低功耗和高集成度的特点。

3.2 工作过程

• 外部参考和时钟：需要外部参考电压和外部时钟。外部参考电压范围为100mV至(+V{CC})，其值直接决定了转换器的输入范围；时钟速度通过公式(f{CLK}=16 \cdot f_{SAMPLE})决定转换速率。
• 模拟输入：模拟输入通过八通道多路复用器提供，输入可以是单端或差分形式。单端输入时，参考COM引脚（通常为地）；差分输入时，使用八个输入通道中的四个。具体配置可通过数字接口选择。
• 转换过程：当转换器进入保持模式时，+IN和 - IN输入之间的电压差被捕获在内部电容阵列上。在转换过程中，外部参考输入电流的平均值取决于转换速率。

3.3 参考输入

参考输入的电压范围较宽，但随着参考电压的降低，每个数字输出代码的模拟电压权重也会降低，即LSB（最低有效位）尺寸减小。这会导致A/D转换器固有的任何偏移或增益误差在LSB尺寸方面显得更大，同时数字化输出的噪声或不确定性也会增加。因此，在使用低参考电压时，需要注意提供干净的布局、低噪声的电源和参考信号。

四、数字接口

4.1 通信方式

ADS7844的数字接口与微控制器或数字信号处理器之间的通信每次由八个时钟周期组成。一次完整的转换可以通过三次串行通信完成，总共需要24个时钟周期。也可以通过重叠转换n + 1的控制位与转换n，实现每16个时钟周期进行一次转换。

4.2 控制字节

控制字节包含多个控制位，用于选择输入通道、输入模式和电源模式。其中，‘S’位必须始终为高，指示控制字节的开始；A2 - A0位与SGL/DIF位一起选择输入通道；SGL/DIF位控制多路复用器输入模式（单端或差分）；PD1 - PD0位选择电源模式。

4.3 电源模式

ADS7844有三种电源模式：全功率（(PD 1 - PD 0 = 11 ~B)）、自动掉电（(PD 1 - PD 0 = 00 ~B)）和关机（SHDN LOW）。在不同的工作条件下，这些模式的功耗表现有所不同。例如，在全速和每转换16个时钟周期的情况下，全功率模式和自动掉电模式的功耗差异很小；但当降低转换频率或减少每秒转换次数时，自动掉电模式的功耗优势会更加明显。

五、布局注意事项

为了确保ADS7844的最佳性能，在PCB布局时需要注意以下几点：

• 电源旁路：为芯片提供干净且良好旁路的电源。在芯片附近放置0.1µF陶瓷旁路电容，必要时可使用1µF至10µF电容和5Ω或10Ω串联电阻对噪声电源进行低通滤波。
• 参考旁路：参考电压同样需要旁路，可使用0.1µF电容。如果参考电压来自运算放大器，要确保其能驱动旁路电容而不产生振荡。
• 接地处理：GND引脚应连接到干净的接地点，通常为“模拟”地。避免与微控制器或数字信号处理器的接地点过近，必要时可直接从转换器引出接地走线到电源入口点。理想的布局应包含专门用于转换器和相关模拟电路的模拟接地平面。

六、总结

ADS7844是一款功能强大、性能出色的模拟 - 数字转换器，适用于多种应用场景。在使用过程中，我们需要深入了解其性能参数、工作原理和布局要求，以充分发挥其优势。同时，根据具体的应用需求，合理选择电源模式和输入配置，能够进一步优化系统的性能和功耗。你在使用ADS7844或其他类似ADC芯片时，遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。