探秘AD7608：18位8通道同步采样模数数据采集系统

作为电子工程师，在设计数据采集系统时，总希望找到一款性能卓越、功能全面的模数转换器（ADC）。今天，我们就来深入剖析一款明星产品——AD7608，看看它是如何在数据采集领域大放异彩的。

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一、AD7608产品概述

AD7608是一款18位、8通道同步采样模数数据采集系统（DAS），它内置了模拟输入箝位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器、18位电荷再分配逐次逼近型模数转换器（ADC）、灵活的数字滤波器、2.5 V基准电压源、基准电压缓冲以及高速串行和并行接口。采用5 V单电源供电，能够处理±10 V和±5 V真双极性输入信号，所有通道均能以高达200 kSPS的吞吐速率采样，输入箝位保护电路能耐受最高达±16.5 V的电压，无论采样频率如何，模拟输入阻抗均为1 MΩ。

二、产品特性亮点

2.1 多通道同步采样

AD7608具备8路同步采样输入功能，这对于需要同时采集多个模拟信号的应用场景非常重要。比如在电力线监控和保护系统中，需要同时监测多个相的电压和电流信号，AD7608的同步采样功能可以确保各个通道的数据在同一时刻被采集，避免了因采样时间不同步而导致的测量误差。再如多相电机控制，同步采集多个通道的信号能够准确获取电机的运行状态，实现更精确的控制。

2.2 真双极性输入范围

它支持真双极性模拟输入范围，包括±10 V和±5 V，这使得它可以适应不同幅度的输入信号。在实际应用中，不同的信号源可能输出不同幅度的信号，AD7608的这种特性为工程师提供了更大的灵活性，可以直接连接各种信号源，而无需进行复杂的信号调理。

2.3 高度集成设计

该产品是一个完全集成的数据采集解决方案，内置了模拟输入箝位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器、ADC、数字滤波器、基准电压源及缓冲等功能模块。这种高度集成的设计大大简化了电路板的设计和布局，减少了外部元件的使用，降低了成本和系统的复杂性，同时也提高了系统的可靠性和稳定性。

2.4 模拟输入特性

2.4.1 高输入阻抗

AD7608具有1 MΩ的模拟输入阻抗，且不随采样频率变化。高输入阻抗意味着它对信号源的负载影响很小，可以直接与信号源或传感器相连，无需额外的驱动放大器。这不仅简化了电路设计，还避免了因驱动放大器引入的噪声和失真，提高了信号采集的精度。

2.4.2 箝位保护

每个模拟输入通道都包含箝位保护电路，允许输入过压达到±16.5 V。在实际应用中，可能会出现瞬态过压的情况，箝位保护电路可以有效地保护芯片免受损坏，提高了系统的可靠性。但需要注意的是，过压箝位保护不应长期保持活动状态，否则可能会影响芯片的性能。

2.4.3 抗混叠滤波器

AD7608内置二阶抗混叠滤波器，在±5 V范围内，-3dB带宽典型值为15 kHz；在±10 V范围内，-3dB带宽典型值为23 kHz。抗混叠滤波器可以有效地抑制高频噪声和干扰，防止混叠现象的发生，保证了信号采集的准确性。

2.5 灵活的接口

AD7608提供了灵活的并行/串行接口，支持SPI/QSPI™/MICROWIRE™/DSP兼容。这种灵活的接口设计使得它可以方便地与各种数字系统进行连接，满足不同应用场景的需求。例如，在与微处理器或FPGA连接时，可以根据系统的需求选择并行接口或串行接口，实现数据的快速传输。

2.6 过采样功能

通过数字滤波器提供过采样功能，用户可以根据实际需求选择不同的过采样倍率。过采样可以提高信噪比（SNR）和动态范围，降低3 dB带宽，从而提高信号采集的质量。在需要高精度测量的应用中，如仪表和控制系统，过采样功能可以显著提高测量的精度。

2.7 低功耗设计

AD7608具有低功耗的特点，正常工作时功耗为100 mW，待机模式下功耗仅为25 mW。低功耗设计不仅可以降低系统的能耗，还可以减少散热问题，提高系统的稳定性和可靠性。在一些对功耗要求较高的应用中，如便携式设备，低功耗特性尤为重要。

三、技术规格解析

3.1 动态性能

AD7608的动态性能指标表现出色。在不同的过采样条件下，它具有较高的信噪比（SNR）和较低的总谐波失真（THD）。例如，在16倍过采样、±10 V范围、f = 130 Hz的条件下，SNR可达98 dB；无过采样、±5 V范围时，THD可达 -107 dB。这些指标表明AD7608在处理模拟信号时能够有效地抑制噪声和失真，保证了信号采集的质量。

3.2 直流精度

在直流精度方面，AD7608具有18位的分辨率，无失码现象。其微分非线性（DNL）和积分非线性（INL）都控制在较小的范围内，总不可调整误差（TUE）也较小。这些指标保证了AD7608在直流信号测量时的准确性，适用于对精度要求较高的应用场景。

3.3 时序规格

AD7608的时序规格对于正确使用该芯片至关重要。在不同的电源电压和操作模式下，各个信号的延迟时间和脉冲宽度都有明确的规定。例如，从CS直到DB[15:0]三态禁用的延迟时间会随着VDRIVE电压的变化而变化。工程师在设计电路时，需要严格按照时序规格来设计控制信号，以确保芯片能够正常工作。

四、工作原理剖析

4.1 转换器详解

AD7608采用高速、低功耗、电荷再分配逐次逼近型模数转换器（ADC），可以对8个模拟输入通道进行同步采样。其模拟输入可以接受真双极性输入信号，通过RANGE引脚可以选择±10 V或±5 V的输入范围。芯片内置了多个功能模块，包括输入箝位保护、输入信号调整放大器、二阶抗混叠滤波器、采样保持放大器、片内基准电压源、基准电压缓冲、高速ADC、数字滤波器以及高速并行和串行接口。

4.2 模拟输入

4.2.1 输入范围选择

RANGE引脚的逻辑电平决定了所有模拟输入通道的模拟输入范围。当RANGE引脚与逻辑高电平相连时，模拟输入范围为±10 V；当与逻辑低电平相连时，模拟输入范围为±5 V。需要注意的是，RANGE引脚的逻辑状态改变会立即影响模拟输入范围，但还需要约80 μs的建立时间。建议根据系统信号所需的输入范围，通过硬连线设置RANGE引脚。

4.2.2 输入阻抗

AD7608的模拟输入阻抗为1 MΩ，这是固定输入阻抗，不随采样频率变化。高模拟输入阻抗可免除前端的驱动放大器，允许其与信号源或传感器直接相连，同时去掉了信号链中的双极性电源，减少了系统中的噪声源。

4.2.3 箝位保护

每个模拟输入通道都包含箝位保护电路，允许输入过压达到±16.5 V。当输入电压超过±16.5 V时，箝位电路开启。为了将输入电压超过±16.5 V时的电流限制在±10 mA以下，模拟输入通道上应放置一个串联电阻，并且VxGND通道上也需要一个与之对应相等的电阻，否则该通道将出现失调误差。

4.2.4 抗混叠滤波器

AD7608的模拟抗混叠滤波器为二阶巴特沃兹滤波器，在±5 V范围内，-3dB带宽典型值为15 kHz；在±10 V范围内，-3dB带宽典型值为23 kHz。该滤波器可以有效地抑制高频噪声和干扰，防止混叠现象的发生。

4.2.5 采样保持放大器

利用采样保持放大器，AD7608 ADC可以用18位分辨率精确采集满量程幅度的输入正弦波。采样保持放大器在CONVST x上升沿时对其各自输入进行同步采样，所有八个采样保持放大器以及不同器件的采样保持放大器的孔径时间通过设计保证严格匹配，允许对一个系统中的一个以上AD7608进行同步采样。

4.3 ADC传递函数

AD7608的输出编码方式为二进制补码，所设计的码转换在连续LSB整数值的中间进行。LSB大小取决于所选的模拟输入范围，±10 V范围时，1 LSB = 76.29 μV；±5 V范围时，1 LSB = 38.14 μV。

4.4 内部/外部基准电压

AD7608内置一个2.5 V片内带隙基准电压源，REFIN/REFOUT引脚既可使用该2.5 V基准电压，也允许施加一个2.5 V外部基准电压。REF SELECT引脚允许用户选择内部基准电压或外部基准电压。无论使用内部还是外部基准电压，都需要对REFIN/REFOUT引脚去耦。

4.5 典型连接图

在典型连接图中，AD7608的四个AVCC电源引脚应各使用一个100 nF去耦电容，并在电源侧使用一个10 μF电容去耦。REFIN/REFOUT引脚需要用10 μF电容去耦，REFCAPA和REFCAPB引脚短路连在一起，并通过一个10 μF陶瓷电容来去耦。为AD7608提供电源后，需要对器件应用RESET信号，以确保将其配置为正确工作模式。

4.6 省电模式

AD7608提供两种省电模式：待机模式和关断模式。STBY引脚控制AD7608是处在正常模式还是两种省电模式之一。当STBY引脚为低电平时，RANGE引脚的状态决定选择何种省电模式。待机模式下，最大功耗为8 mA，上电时间约为100 μs；关断模式下，最大功耗为11 μA，上电时间约为13 ms（外部基准电压模式）。从关断模式上电时，经过所需的上电时间后，必须对AD7608施加RESET信号。

4.7 转换控制

4.7.1 所有模拟输入通道同步采样

当两个CONVST x引脚（CONVST A和CONVST B）连在一起时，所有通道同步采样。使用一个CONVST x信号便可控制两个CONVST x输入，该信号的上升沿启动对所有模拟输入通道的同步采样。AD7608内置一个片内振荡器用于转换，所有ADC通道的转换时间为tCONV。BUSY信号告知用户正在进行转换，BUSY下降沿表示转换过程结束，此时可以从并行总线或串行数据线路读取新数据。

4.7.2 两组通道同步采样

AD7608还允许模拟输入通道分两组进行同步采样，这可以用在电力线保护和测量系统中，以补偿PT和CT变压器所引入的相位差。通过脉冲独立激活两个CONVST x引脚，并且只有在不使用过采样时，才可实现这种采样方式。CONVST A用来启动对第一组通道的同步采样（V1至V4）；CONVST B用来启动对第二组模拟输入通道的同步采样（V5至V8）。

4.8 数字接口

4.8.1 并行接口（PAR/SER SEL = 0）

通过并行总线读取数据时，需将PAR/SER SEL引脚和低电平相连。通过内部选通CS和RD输入信号，可以将转换结果输出到数据总线。当CS和RD同时处于逻辑低电平时，数据线DB15至DB0不再呈高阻态。需要两个RD脉冲以读取每个通道的全部18位转换结果。

4.8.2 串行接口（PAR/SER SEL = 1）

若要通过串行接口从AD7608回读数据，PAR/SER SEL引脚应连接高电平。CS和SCLK信号用来传输AD7608的数据。AD7608有两个串行数据输出引脚：DOUTA和DOUTB。可通过单或双Dout线路从AD7608回读数据。

4.8.3 转换期间读取

当BUSY为高电平，转换正在进行时，也可以从AD7608读取数据，这几乎不会影响转换器的性能，而且可以实现更快的吞吐速率。转换期间可以执行并行或串行读取，可以使用或不用过采样。

4.9 数字滤波器

AD7608内置一个可选的数字一阶sinc滤波器，过采样倍率由过采样引脚OS [2:0]控制。开启过采样时，CONVST A和CONVST B引脚必须连在一起驱动，转换过程中BUSY保持高电平的时间会延长。过采样可以提高SNR性能，但会降低3 dB带宽和容许的采样频率。

五、布局指南

5.1 电路板设计

安装AD7608所用的印刷电路板应采用模拟部分与数字部分分离设计，并限制在电路板的不同区域内。至少使用一个接地层，数字和模拟部分可以共用或分割使用接地层。在使用分割的地层时，数字地和模拟地应单点连接，单点接地点最好尽可能靠近AD7608。

5.2 布线注意事项

应避免在器件下方布设数字线路，以免将噪声耦合至芯片。快速切换信号要使用数字地加以屏蔽，避免数字信号与模拟信号交叠。电路板邻近层上的走线应彼此垂直，以减小电路板的馈通效应。

5.3 电源和去耦

AD7608上AVcc和VDRIVE引脚的电源线路应采用尽可能宽的走线，以提供低阻抗路径，并减小电源线路上的毛刺噪声影响。各电源引脚应使用单个过孔或多个过孔。去耦电容应靠近（理想情况是紧靠）这些引脚及其对应接地引脚放置。

5.4 多器件布局

在内置多个AD7608器件的系统中，为确保器件之间的性能匹配良好，这些器件必须采用对称布局。例如，AVcc电压平面沿器件的一侧布设，VDRIVE电源走线沿另一侧布设，基准电压芯片位于器件之间，基准电压走线沿南北方向布设。

六、总结与展望

AD7608作为一款高性能的8通道DAS，具有多通道同步采样、真双极性输入范围、高度集成、灵活接口、过采样功能和低功耗等诸多优点。其出色的动态性能和直流精度使其在电力线监控和保护系统、多相电机控制、仪表和控制系统等领域具有广泛的应用前景。

在实际应用中，工程师需要根据具体的需求和场景，合理选择输入范围、接口模式和过采样倍率等参数，并严格按照布局指南进行电路板设计和布线，以充分发挥AD7608的性能优势。未来，随着电子技术的不断发展，AD7608可能会在更高精度、更低功耗和更集成化等方面进行进一步的优化和改进，为电子工程师提供更强大的工具。

你在使用AD7608的过程中，是否也遇到过一些挑战和问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。