AD4853：高性能4通道数据采集系统的深度解析

在电子设计领域，数据采集系统（DAS）是连接模拟世界和数字世界的关键桥梁。今天，我们将深入探讨一款功能强大的DAS——AD4853，它在众多应用场景中展现出卓越的性能。

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一、AD4853概述

AD4853是一款全缓冲、4通道同时采样、16位、1MSPS的数据采集系统，具备差分、宽共模范围输入的特性。其功能架构设计精妙，从功能框图中可以清晰看到各个模块的协同工作。它采用5V低压电源、灵活的输入缓冲电源，并配备精密低漂移的内部参考和参考缓冲，使得每个通道的SoftSpan范围能够独立配置，以匹配应用信号的摆动，大大减少了额外的外部信号调理需求。

为了进一步提升单转换动态范围，AD4853引入了无缝高动态范围（SHDR）技术。当该技术启用时，通道的输入信号路径增益会根据每个样本进行自动优化，在不影响线性度的前提下，将每个样本的转换器噪声降至最低。

二、关键特性剖析

2.1 采样与精度

• 同时采样：4个通道能够同时采样，这对于需要同步采集多个信号的应用至关重要，例如自动测试设备、航空航天等领域。
• 高精度：具有±160μV的积分非线性（INL），在16位分辨率下无缺失码，信号噪声比（SNR）达到94.6dB，动态范围为98.1dB，这些指标确保了在高精度、高吞吐量和高精密要求的应用中表现出色。
• 宽输入范围：输入信号的灵活性极高，其11MHz带宽、皮安级输入模拟缓冲器、宽输入共模范围以及120dB的共模抑制比（CMRR），使得DAS能够直接数字化INx+和INx - 上具有任意摆动的输入信号。

2.2 电源与功耗

• 灵活的电源配置：AD4853的缓冲电源VCC和VEE非常灵活，可根据应用信号摆动要求进行选择，无需额外的信号调理。电源可以围绕地不对称偏置，甚至VEE引脚可以直接连接到GND。
• 低功耗：在1MSPS的采样率下，每个通道的功耗仅为57mW，并且功耗会随着吞吐量进行调整。此外，还提供了可选的休眠和掉电模式，进一步降低非活动期间的功耗。

2.3 数字处理功能

• 16位过采样：可选的16位过采样功能能够进一步提高SNR和动态范围，适用于对噪声要求苛刻的应用。
• 通道调整：支持每个通道的偏移、增益和相位调整，可校正DAS上游的系统级误差。

2.4 接口与输出

• SPI配置总线：拥有专用的SPI寄存器配置总线（0.9V至5.25V），方便进行设备的配置和控制。
• 数据输出选择：支持LVDS和CMOS转换数据输出总线，可通过引脚进行选择。在CMOS模式下，可使用1至4条数据线输出，优化总线宽度和吞吐量。

三、工作原理详解

3.1 转换操作

AD4853的工作分为采集和转换两个阶段。在采集阶段，每个通道的采样保持电路中的采样电容连接到各自的模拟输入缓冲器，跟踪差分输入电压（VINx+ - VINx - ）。当CNV引脚出现上升沿时，所有采样保持电路从跟踪模式切换到保持模式，同时对所有通道的输入信号进行采样并启动转换。在转换阶段，每个通道的采样电容连接到16位电荷再分配电容数模转换器（CDAC），通过逐次逼近算法将采样的输入电压与通道SoftSpan满量程范围的二进制加权分数进行比较，最终输出近似的数字代码。

3.2 SoftSpan配置

每个通道可以独立配置16种SoftSpan范围，根据所需的差分模拟输入范围进行选择。默认情况下，所有通道为SoftSpan 15，对应标称的±40V双极性输入范围。通过向相应的寄存器地址写入4位SoftSpan代码，即可配置通道的不同范围。

3.3 无缝高动态范围（SHDR）

SHDR是一种专有技术，能够在每个样本的基础上提供尽可能低的输入参考转换噪声。当SHDR禁用时，每个通道的SoftSpan范围自动定义一个固定的转换器模拟信号增益，应用于该通道的每个样本。而当SHDR启用时，转换器会根据每个样本的差分电压动态调整模拟信号增益。对于接近所选SoftSpan范围最大值的差分电压，采用的增益与SHDR禁用时相同；对于幅值较低的样本，转换器会自动增加增益，从而降低这些样本的输入参考转换噪声，提高动态范围。

3.4 数字处理特性

• 过采样模式：默认情况下，AD4853工作在非过采样模式。在过采样模式下，它会计算每个通道多个转换结果的数字平均值，所有通道共享一个共同的过采样比，并且只有每个通道的平均结果可供读取。过采样模式适用于需要低噪声和高动态范围的应用，同时还支持可选的数字相位校正。
• 数字偏移校正：每个通道可以独立编程，为每个转换结果添加一个16位有符号数字偏移校正值，用于校正DAS模拟输入上游的固定偏移误差。
• 数字增益校正：每个通道可以独立应用数字增益校正因子，校正DAS模拟输入上游的固定增益误差。
• 数字相位校正：在过采样模式下，每个通道可以独立应用数字相位校正项，补偿DAS模拟输入上游的相位误差。
• 通道过范围和欠范围限制：每个通道的转换结果会与16位有符号过范围和欠范围限制进行比较。如果检测到任何超出范围的转换结果，相应的标志位会在CH_OR_STATUS寄存器或CH_UR_STATUS寄存器中设置。

四、应用信息

4.1 缓冲模拟输入

AD4853的每个通道能够在宽共模输入范围内同时采样其模拟输入引脚之间的电压差，高CMRR能够衰减两个输入共有的不需要信号。宽共模输入范围和高CMRR使得INx+和INx - 模拟输入可以任意摆动，只要每个引脚保持在（VEE + 3.2V）和（VCC - 3.2V）之间。这一特性简化了信号链设计，能够接受各种信号摆动，包括传统的模拟输入信号类型。

4.2 模拟输入驱动电路

缓冲输入级提供了高度的瞬态隔离，大多数阻抗小于10kΩ的传感器、信号调理放大器和滤波器网络可以直接驱动4pF的模拟输入电容。对于更高阻抗和慢稳定电路，在模拟输入引脚和GND引脚之间添加一个680pF的电容可以保持AD4853的全直流精度。

4.3 模拟输入过驱动容限

在任何通道上驱动模拟输入大于VCC电源，电流高达10mA不会影响其他通道的转换结果。但驱动模拟输入小于VEE电源可能会破坏其他通道的转换结果。在（VCC - VEE）> 44V的应用中，建议在每个INx+和INx - 引脚串联一个外部电阻（例如100Ω至1000Ω），以在故障条件下将闩锁电流限制在±10mA以下。

4.4 模拟输入滤波

AD4853的真高阻抗模拟输入能够适应各种无源或有源信号调理滤波器。其缓冲DAS输入具有11MHz的模拟带宽，对外部滤波器没有特定的带宽要求，因此外部输入滤波器可以独立优化，以减少信号链噪声和干扰。

4.5 DAS参考

AD4853支持三种参考配置：内部带隙参考和参考缓冲、外部参考和内部参考缓冲、外部参考和外部参考缓冲。大多数应用采用内部带隙参考和参考缓冲，这是AD4853的默认配置。对于需要更好初始精度和/或更低参考温度漂移的应用，可以禁用内部带隙参考，用外部参考驱动REFIO引脚。

4.6 电源考虑

AD4853需要五个电源：VCC和VEE（正负模拟输入缓冲电源）、VDD（5V核心电源）、VDDH（或VDDL）（1.8V LDO或1.8V核心电源）、VIO（数字输入和输出电源）。所有五个电源都有内部旁路电容，无需额外的外部旁路。

4.7 时序和控制

AD4853的采样和转换由CNV引脚控制。CNV引脚的上升沿将所有通道的采样保持电路从跟踪模式切换到保持模式，同时采样所有通道的输入信号并启动转换。转换器状态由BUSY输出指示，转换开始时BUSY引脚变为高电平，转换完成后变为低电平。

4.8 休眠模式和掉电模式

• 休眠模式：转换完成后，AD4853可以进入休眠模式，以降低转换之间的功耗。在该模式下，部分设备电路关闭，包括与采样模拟输入信号相关的电路。
• 掉电模式：当PD引脚置高或Device Configuration Register中的PWR_MODE位设置为0x3时，AD4853进入掉电模式，后续的转换请求将被忽略。

4.9 通道睡眠

每个通道可以独立进入睡眠模式，以降低功耗。睡眠模式下，通道的输入缓冲器和ADC处于低功耗待机状态，转换请求将被忽略。

4.10 复位时序

AD4853可以执行全局复位，相当于POR事件，无需循环电源。通过两次将PD引脚置高而不进行中间转换，或者使用Device Configuration Register中的PWR_MODE位进入、退出并重新进入掉电模式，都可以触发全局复位。

五、数字接口

5.1 CMOS转换数据输出模式

AD4853支持CMOS和LVDS串行转换数据输出接口，可通过LVDS/CMOS引脚选择。在CMOS转换数据输出模式下，串行CMOS转换数据输出总线由串行时钟输入（SCKI）、串行时钟输出（SCKO）和四个串行数据输出通道（SDO0至SDO3）组成。通信在预定义的数据事务窗口内进行，设备输出包含转换或过采样结果、可选通道配置和设备状态信息的用户可配置数据包。

5.2 LVDS转换数据输出模式

在LVDS转换数据输出模式下，信息通过正负极性信号对进行传输，位以差分方式编码。串行LVDS转换数据输出总线由差分串行时钟输入对（SCKI+和SCKI - ）、差分串行时钟输出对（SCKO+和SCKO - ）和差分串行数据输出对（SDO+和SDO - ）组成。通信同样在预定义的数据事务窗口内进行，设备输出用户可配置数据包。

5.3 数据包格式

数据在CMOS和LVDS转换数据输出总线上以四个通道数据包和一个第五状态数据包的形式进行封装。AD4853提供两种用户可选的数据包大小：16位和24位。数据包数据格式取决于数据包大小、过采样模式和测试模式配置。

5.4 SPI寄存器配置总线

SPI寄存器配置总线允许数字主机读取和写入AD4853的内存映射寄存器。该总线独立于CMOS或LVDS转换数据输出总线。设备上电或全局复位后，SPI寄存器配置总线默认工作在3线模式，可通过设置SPI Configuration A Register中的CSDO_EN位为1来启用4线模式。

六、寄存器总结

AD4853具有可编程的用户寄存器，用于配置设备和监控其状态。这些寄存器可以通过SPI寄存器配置总线进行访问。寄存器包括SPI配置寄存器、设备配置寄存器、通道配置寄存器等，每个寄存器都有特定的功能和位描述。

七、总结

AD4853以其高性能、灵活性和丰富的功能，成为众多应用领域的理想选择。无论是自动测试设备、航空航天、仪器仪表和控制系统，还是半导体制造、测试和测量等领域，AD4853都能够提供高精度、高吞吐量的数据采集解决方案。电子工程师在设计过程中，可以根据具体应用需求，充分利用AD4853的各种特性，实现优化的系统设计。

你在使用AD4853的过程中遇到过哪些挑战？是否有独特的应用案例分享？欢迎在评论区留言交流。