AD4855：8通道同步采样16位250 kSPS数据采集系统的技术剖析

在电子设计领域，数据采集系统（DAS）的性能直接影响着整个系统的精度和可靠性。今天，我们将深入探讨一款高性能的数据采集系统——AD4855，它在众多应用场景中展现出了卓越的性能。

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产品概述

AD4855是一款全缓冲、8通道同步采样、16位、250 kSPS的数据采集系统，具有差分、宽共模范围输入的特点。其采用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器，每个通道的SoftSpan范围可独立配置，以匹配应用信号的摆动，减少外部信号调理的需求。

关键特性

高精度数据采集

• 多通道同步采样：能够同时对8个通道进行采样，每个通道的吞吐量可达250 kSPS，确保了数据采集的高效性和同步性。
• 宽输入范围：差分输入范围灵活，支持多种SoftSpan配置，包括±40 V、±25 V、±20 V等多种范围，满足不同应用的需求。
• 低输入泄漏电流：在25°C时，典型输入泄漏电流仅为±75 pA，减少了信号干扰，提高了采集精度。

高性能指标

• 高线性度：积分非线性（INL）误差典型值为±160 μV（±40 V范围），确保了数据的准确性。
• 低噪声：信噪比（SNR）可达94.6 dB（±40 V范围），动态范围（DR）为98.1 dB（±40 V范围），有效减少了噪声干扰。
• 高共模抑制比：CMRR典型值为120 dB，能够有效抑制共模信号，提高系统的抗干扰能力。

数字灵活性

• 多种接口选择：支持SPI CMOS（0.9 V至5.25 V）和LVDS串行输入输出，方便与不同的数字系统进行接口。
• 可选过采样：支持16位数字平均的过采样功能，进一步提高了SNR和动态范围。
• 可选校正功能：提供偏移、增益和相位校正功能，可校准和消除系统级误差。

低功耗设计

每个通道在250 kSPS时功耗仅为27 mW，并且功耗可随吞吐量进行调整，适合对功耗要求较高的应用。

工作原理

转换器操作

AD4855的工作分为采集和转换两个阶段。在采集阶段，每个通道的采样电容连接到模拟输入缓冲器，跟踪差分输入电压。当CNV引脚上升沿到来时，采样保持电路从跟踪模式转换到保持模式，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，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的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。

传输函数

AD4855将每个通道的满量程电压范围数字化为2^16个离散电平。每个通道的SoftSpan配置决定了其差分输入电压范围、LSB大小和转换结果的二进制格式。对于双极性SoftSpan范围，转换结果以二进制补码格式输出；对于单极性SoftSpan范围，则以直二进制格式输出。

无缝高动态范围（SHDR）技术

SHDR是一种专有技术，可在每个采样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采样。当SHDR启用时，转换器根据每个采样的差分电压动态调整模拟信号增益，对于差分电压接近所选SoftSpan范围最大值的采样，采用与SHDR禁用时相同的增益；对于幅度较低的采样，转换器自动增加增益，从而降低这些采样的输入参考转换噪声，提高动态范围。

应用信息

缓冲模拟输入

AD4855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可衰减两个输入共有的不需要的信号。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 + 3.2 V)和(VCC - 3.2 V)之间。此外，缓冲器VCC和VEE电源的宽工作范围提供了进一步的输入共模灵活性，可根据应用需求独立偏置。

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10 kΩ的传感器、信号调理放大器和滤波器网络可以直接驱动4 pF的模拟输入电容。对于更高阻抗和慢稳定电路，可在模拟输入引脚和GND引脚之间添加680 pF电容，以保持AD4855的全直流精度。

模拟输入过驱动容限

在任何通道上驱动模拟输入大于VCC电源至10 mA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) > 44 V的应用中，建议在每个INx+和INx - 引脚串联一个外部电阻（如100 Ω至1000 Ω），以限制故障条件下的闩锁电流。

模拟输入滤波

AD4855的真高阻抗模拟输入可适应各种无源或有源信号调理滤波器。外部输入滤波器可独立于DAS进行优化，以减少信号链噪声和干扰。常见的滤波器配置是简单的抗混叠和降噪RC滤波器，其极点位于采样频率的一半。

DAS参考

AD4855支持三种参考配置：内部带隙参考和参考缓冲器、外部参考和内部参考缓冲器、外部参考和外部参考缓冲器。大多数应用采用内部带隙参考和参考缓冲器，这是AD4855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，可禁用内部带隙参考，用外部参考驱动REFIO引脚。

电源考虑

AD4855需要五个电源：VCC和VEE（正负模拟输入缓冲电源）、VDD（5 V核心电源）、VDDH（或VDDL）（1.8 V LDO或1.8 V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。

时序和控制

AD4855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转换到保持模式，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，BUSY在每次转换开始时变为高电平，直到转换完成后变为低电平。

数字接口

CMOS转换数据输出模式

在CMOS转换数据输出模式下，串行CMOS转换数据输出总线由一个串行时钟输入（SCKI）、一个串行时钟输出（SCKO）和八个串行数据输出通道（SDO0至SDO7）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。

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以差分编码的方式传输。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。

数据包格式

AD4855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。在非过采样模式下，通道数据包包含16位转换结果，状态数据包包含设备状态信息和16位CRC。在过采样模式下，通道数据包包含16位平均转换结果。在测试模式下，通道数据包由CHx_TESTPAT寄存器中的数据定义。

寄存器配置

AD4855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定义。

总结

AD4855凭借其高精度、高性能、低功耗和灵活的数字接口等特点，成为了自动测试设备、航空航天、仪器仪表和控制系统等领域的理想选择。在实际应用中，工程师可以根据具体需求合理配置AD4855的参数，以充分发挥其性能优势。你在使用AD4855或其他类似数据采集系统时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。