深入剖析ADS7816：12位高速微功耗采样模数转换器

在电子设计领域，模数转换器（ADC）是连接模拟世界和数字世界的桥梁。今天，我们要详细探讨的是一款性能出众的12位高速微功耗采样模数转换器——ADS7816。

文件下载：ads7816.pdf

一、ADS7816的核心特性

1. 高速与低功耗的完美结合

ADS7816具备200kHz的采样率，在高速采样的同时，功耗极低。在200kHz采样率下，功耗仅为1.9mW；在12.5kHz采样率时，功耗更是低至150µW。进入掉电模式后，最大电流仅3µA。这种低功耗特性使其在电池供电系统中具有显著优势。

2. 多样的封装形式

它提供了8引脚的Mini - DIP、SOIC和MSOP三种封装形式，方便工程师根据不同的应用场景和电路板布局进行选择。

3. 独特的输入与接口设计

采用差分输入方式，能够有效抑制共模干扰，提高信号采集的准确性。同时，配备串行接口，便于与微处理器等数字系统进行通信。

二、应用场景广泛

ADS7816适用于多种应用场景，如电池供电系统、远程数据采集以及隔离数据采集等。在这些场景中，其低功耗、高速采样和差分输入的特性能够充分发挥作用，确保数据采集的高效性和准确性。

三、详细规格参数

1. 模拟输入参数

• 满量程输入范围为0 - VREF，绝对输入电压范围为 - 0.2V至Vcc + 0.2V，输入电容为25pF，泄漏电流最大为±1µA。
• 要注意输入电压的范围，以确保转换器的线性度。–In输入不应超过GND ±200mV，+In输入应保持在GND - 200mV至Vcc + 200mV范围内。

2. 系统性能参数

• 分辨率为12位，无丢失码，积分线性误差和差分线性误差最大为±0.5LSB，偏移误差和增益误差也在合理范围内。
• 噪声功率为33µVrms，电源抑制比为82dB，保证了系统的高精度和稳定性。

3. 采样动态参数

转换时间为12个时钟周期，采集时间为1.5个时钟周期，吞吐量速率可达200kHz。

4. 参考输入参数

参考电压范围为0.1V至5V，参考电阻为5kΩ，电流消耗在不同条件下有所变化。参考电压的选择会影响转换器的性能，如LSB大小和噪声水平。

5. 数字输入/输出参数

逻辑电平符合CMOS标准，数据格式为直二进制。在进行数字通信时，要注意时钟信号和数据输出的时序关系。

6. 电源要求

电源电压范围为4.5V至5.25V，静态电流和掉电电流在不同采样率下有相应的数值。合理选择电源和控制采样率可以降低功耗。

四、工作原理

ADS7816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，自带采样/保持功能。它需要外部参考电压、外部时钟和单一的 + 5V电源。

1. 外部参考电压

外部参考电压可在100mV至Vcc之间选择，直接决定了模拟输入的范围。降低参考电压会减小每个数字输出代码的模拟电压权重，但也会增加噪声和误差。

2. 外部时钟

外部时钟频率范围为10kHz至3.2MHz，时钟的占空比只要满足最小高低时间至少为150ns即可。最低时钟频率由内部电容器的泄漏决定。

3. 模拟输入与转换过程

模拟输入通过 + In和 – In两个引脚提供。转换开始时，差分输入信号被采样到内部电容阵列上，转换过程中，输入与内部功能断开。转换结果通过DCLOCK输入以串行方式输出，先输出最高有效位。

五、关键设计要点

1. 模拟输入设计

• 差分输入的 – In输入范围有限，最好用于感应可能相对于本地地电位稍有移动的远程信号地。
• 模拟输入电流取决于采样率、输入电压、源阻抗和掉电模式等因素。输入源应能在1.5个时钟周期内将输入电容（25pF）充电到12位的稳定水平。在保持模式或掉电模式下，输入阻抗大于1GΩ。

2. 参考输入设计

• 参考电压的选择要综合考虑LSB大小、噪声和误差等因素。降低参考电压会增加噪声和误差，因此需要提供干净的布局、稳定的电源和低噪声的参考信号。
• 参考电流与转换结果有关，在满量程时最低，输入接近零时会增加。

3. 数字接口设计

通过同步3线串行接口与数字系统通信，要注意时钟信号和片选信号的时序关系。转换开始由CS信号触发，数据输出按照特定的时序进行。

4. 功耗优化设计

• 功耗与转换率直接相关，选择最低满足系统要求的转换率可以降低功耗。
• 利用CS信号控制掉电模式，使转换器尽可能长时间处于掉电状态。
• 可以通过短循环转换来节省功率，即在只需要部分转换结果时提前终止转换。

5. 布局设计

• 为了获得最佳性能，要注意电路板的物理布局。ADS7816对电源、参考和地连接上的尖峰信号敏感，因此需要干净的电源和良好的旁路电容。
• 参考电压和地的连接要合理，避免噪声和干扰。–In输入引脚的连接要根据实际情况进行选择，以减少干扰。

六、典型应用电路

文档中给出了几种典型的应用电路，如使用ADS7816和多路复用器实现灵活的数据采集电路，以及结合数字信号处理器和DAC实现更复杂的系统。这些电路展示了ADS7816在不同场景下的应用方式，可以为工程师的设计提供参考。

七、总结

ADS7816是一款性能卓越的12位高速微功耗采样模数转换器，具有低功耗、高速采样、差分输入和串行接口等优点。在设计过程中，工程师需要根据具体的应用场景，合理选择参数、优化布局，以充分发挥其性能优势。同时，要注意参考电压、时钟信号、功耗控制和布局等方面的设计要点，确保系统的稳定性和准确性。希望本文能为电子工程师在使用ADS7816进行设计时提供有价值的参考。你在使用ADS7816的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。