深入剖析AD7798/AD7799：高精度测量的理想之选

在电子工程师的设计工作中，高精度的模拟前端对于许多测量应用至关重要。今天，我们就来深入了解一下Analog Devices推出的AD7798/AD7799，这两款低功耗、低噪声的完整模拟前端芯片，它们为高精度测量应用提供了出色的解决方案。

文件下载：AD7798.pdf

一、产品概述

AD7798/AD7799是专为高精度测量应用设计的低功耗、低噪声模拟前端。它们包含一个低噪声的16/24位Σ - Δ ADC，具有三个差分模拟输入通道。片上的低噪声仪表放大器使得小幅度信号能够直接与ADC接口。以AD7799为例，在增益设置为64且更新速率为4.17 Hz时，均方根噪声仅为27 nV。

1.1 关键特性

• 低噪声性能：不同更新速率下，AD7799和AD7798都展现出了极低的均方根噪声。例如，AD7799在4.17 Hz时为27 nV，16.7 Hz时为65 nV；AD7798在4.17 Hz时为40 nV，16.7 Hz时为85 nV。
• 低功耗：典型电流为380 µA，在掉电模式下最大仅为1 µA。
• 可编程增益：具有可编程增益的仪表放大器，可根据不同的应用需求进行调整。
• 更新速率灵活：更新速率范围为4.17 Hz至470 Hz，可通过软件进行编程。
• 多通道输入：提供3个差分输入通道，满足多种测量需求。
• 集成功能丰富：片上集成了低侧电源开关、参考检测、可编程数字输出引脚、烧断电流和内部时钟振荡器等功能。
• 宽电源范围：电源电压范围为2.7 V至5.25 V，工作温度范围为 - 40°C至 + 105°C。
• 封装形式：采用16引脚TSSOP封装，便于安装和布局。

1.2 接口特性

AD7798/AD7799采用3线串行接口，与SPI®、QSPI™、MICROWIRE™和DSP兼容。SCLK引脚具有施密特触发器，增强了接口的抗干扰能力。

二、技术规格详解

2.1 性能参数

• 输出更新速率：无丢失码的输出更新速率范围为4.17 - 470 Hz，AD7799的分辨率最高可达24位，AD7798为16位。
• 噪声与分辨率：不同增益和更新速率下，输出均方根噪声和有效分辨率有所不同。具体数据可参考文档中的表格，这些数据为工程师在不同应用场景下选择合适的参数提供了依据。
• 误差指标：积分非线性、偏移误差、满量程误差等指标都在一定范围内，并且可以通过校准来进一步降低误差。例如，校准后偏移误差在所选增益和更新速率下与噪声处于同一数量级。
• 电源抑制：电源抑制比最小为100 dB，确保了在电源波动时仍能保持良好的性能。
• 输入特性：差分输入电压范围、绝对AIN电压限制、共模电压等参数都有明确的规定，工程师在设计时需要根据实际情况进行合理选择。

2.2 时序特性

文档中详细给出了读写操作的时序参数，包括SCLK高脉冲宽度、低脉冲宽度、CS下降沿到DOUT/RDY有效时间等。这些参数对于确保数据的准确传输至关重要，工程师在设计接口电路时需要严格遵循这些时序要求。

2.3 绝对最大额定值

为了保证芯片的安全可靠运行，文档规定了绝对最大额定值，如电源电压、输入电压、电流等。在实际应用中，必须确保芯片的工作条件在这些额定值范围内，否则可能会导致芯片损坏。

三、引脚配置与功能

3.1 引脚配置

AD7798/AD7799的引脚配置清晰明了，每个引脚都有特定的功能。例如，SCLK为串行时钟输入，CS为芯片选择输入，AIN3(+)/P1和AIN3( - )/P2既可以作为模拟输入引脚，也可以作为数字输出引脚。

3.2 功能描述

每个引脚的功能在文档中都有详细的说明，工程师可以根据实际需求进行灵活配置。例如，DOUT/RDY引脚既可以作为串行数据输出引脚，也可以作为数据就绪信号，方便与处理器进行交互。

四、片上寄存器

AD7798/AD7799通过多个片上寄存器进行控制和配置，这些寄存器包括通信寄存器、状态寄存器、模式寄存器、配置寄存器等。

4.1 通信寄存器

通信寄存器是一个8位的只写寄存器，所有与芯片的通信都必须从向该寄存器写入数据开始。通过写入不同的数据，可以确定下一次操作是读操作还是写操作，以及操作的目标寄存器。

4.2 状态寄存器

状态寄存器是一个8位的只读寄存器，用于反映芯片的当前状态，如数据就绪、误差状态、参考检测等信息。

4.3 模式寄存器

模式寄存器是一个16位的寄存器，用于选择芯片的工作模式、更新速率和低侧电源开关等。不同的工作模式包括连续转换模式、单转换模式、空闲模式、掉电模式等，工程师可以根据实际需求进行选择。

4.4 配置寄存器

配置寄存器同样是16位的寄存器，用于配置芯片的单极性/双极性模式、缓冲器的启用/禁用、烧断电流的启用/禁用、增益选择和模拟输入通道选择等。

4.5 其他寄存器

还包括数据寄存器、ID寄存器、IO寄存器、偏移寄存器和满量程寄存器等，每个寄存器都有其特定的功能，共同实现了芯片的各种功能。

五、电路设计要点

5.1 模拟输入通道

AD7798/AD7799有三种工作模式：缓冲模式、非缓冲模式和仪表放大器启用模式。在缓冲模式下，输入通道连接到片上缓冲放大器，能够容忍较大的源阻抗；在非缓冲模式下，输入电流较大，需要注意外部电阻/电容组合对增益的影响。当增益设置为4或更高时，仪表放大器启用，此时对输入电压范围和共模电压有一定的要求。

5.2 参考设计

参考输入为无缓冲输入，因此过大的电阻/电容源阻抗会引入增益误差。推荐使用低噪声、低功耗的参考电压源，如ADR381和ADR391。同时，芯片还具有参考检测功能，当参考电压低于0.3 V或参考输入开路时，会检测到无有效参考，并将状态寄存器中的NOREF位设置为1。

5.3 校准

芯片提供了四种校准模式：内部零刻度校准、内部满量程校准、系统零刻度校准和系统满量程校准。校准可以有效降低偏移误差和满量程误差，提高测量精度。在进行校准时，需要根据不同的校准模式进行相应的操作，并注意校准的顺序和时间。

5.4 接地与布局

由于AD7798/AD7799的分辨率高、噪声低，因此在接地和布局方面需要特别注意。建议将模拟和数字部分分开，并采用最小蚀刻技术设计接地平面，以提供良好的屏蔽效果。同时，要注意电流的流向，避免数字电流流经模拟接地部分。电源供应线应尽可能宽，以降低阻抗，减少电源线上的干扰。

六、应用案例

6.1 称重秤应用

在称重秤应用中，AD7798/AD7799可以与负载细胞配合使用。负载细胞采用桥式网络，输出差分电压。通过将桥的激励电压直接作为ADC的参考电压，可以实现比例测量。同时，低侧电源开关可以在低功耗应用中发挥作用，在待机模式下关闭开关，减少不必要的功耗。

6.2 其他应用

AD7798/AD7799还适用于压力测量、应变计传感器、气体分析、工业过程控制、便携式仪器、血液分析、智能变送器、液相/气相色谱等多种应用场景。

七、总结

AD7798/AD7799以其低噪声、低功耗、高分辨率和丰富的功能，为高精度测量应用提供了优秀的解决方案。在实际设计中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择芯片的参数和工作模式，注意电路设计的要点，以充分发挥芯片的性能。同时，要严格遵守芯片的绝对最大额定值，确保芯片的安全可靠运行。你在使用AD7798/AD7799的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。