探索AD7863：高速低功耗双14位ADC的卓越性能与应用

在电子设计领域，模拟 - 数字转换器（ADC）是连接现实世界模拟信号与数字系统的关键桥梁。今天，我们将深入探讨一款性能卓越的ADC——AD7863，它由Analog Devices公司推出，具备高速、低功耗等诸多优点，广泛应用于各种信号处理场景。

文件下载：AD7863.pdf

一、AD7863概述

AD7863是一款高速、低功耗的双14位模拟 - 数字转换器，采用单5V电源供电。它集成了两个5.2μs的逐次逼近型ADC、两个跟踪/保持放大器、一个内部2.5V参考源以及高速并行接口。四个模拟输入被分为两个通道（A和B），可通过A0输入进行选择，每个通道有两个输入（VA1和VA2或VB1和VB2），能够同时采样和转换，有效保留了两个模拟输入信号的相对相位信息。

1.1 产品特性

• 双ADC功能：具备两个完整的ADC功能，可同时对两个通道进行采样和转换，每个ADC有一个双通道输入多路复用器。转换启动后5.2μs即可获得两个通道的转换结果。
• 单电源供电与低功耗：仅需单5V电源供电，典型功耗为70mW。还具备自动掉电模式，转换完成后自动进入掉电状态，下一次转换前唤醒，非常适合电池供电或便携式应用。
• 高速并行接口：提供高速并行接口，便于与微处理器、微控制器和数字信号处理器连接。
• 多种输入范围可选：有三种版本可供选择，分别是AD7863 - 10（±10V）、AD7863 - 3（±2.5V）和AD7863 - 2（0V至2.5V），满足不同应用需求。
• 高精度孔径延迟匹配：两个输入采样和保持放大器之间的孔径延迟匹配非常紧密。

二、技术细节剖析

2.1 转换过程

转换通过脉冲CONVST输入启动。CONVST下降沿时，两个片上跟踪/保持放大器同时进入保持状态，两个通道的转换序列同时开始。转换时钟由内部激光微调时钟振荡器电路产生。BUSY信号指示转换结束，此时两个通道的转换结果可读取。首次读取访问VA1或VB1的结果，第二次读取访问VA2或VB2的结果，具体取决于转换启动前多路复用器选择A0的高低。数据通过14位并行数据总线，使用标准的(overline{CS})和(overline{RD})信号读取。

2.2 跟踪/保持部分

AD7863的跟踪/保持放大器能使ADC将满量程幅度的输入正弦波精确转换为14位精度。其输入带宽大于ADC的奈奎斯特速率，即使ADC以最大吞吐量175kHz运行，也能处理超过87.5kHz的输入频率。跟踪/保持放大器能在小于500ns内以14位精度获取输入信号，两个跟踪/保持放大器在CONVST下降沿同时对各自输入通道采样，孔径时间匹配良好，可准确保留不同输入通道之间的相对相位信息，也允许多个AD7863同时采样多个通道。转换结束后，器件返回跟踪模式，跟踪/保持放大器的采集时间从此刻开始。

2.3 参考部分

AD7863有一个参考引脚VREF，可访问其内部2.5V参考源，也可连接外部2.5V参考源。参考源误差会导致AD7863传输函数的增益误差，并增加指定的满量程误差。使用内部参考源时，需从VREF引脚连接两个0.1μF陶瓷圆盘电容器到AGND。若需将该参考源用于外部，应进行缓冲，因为参考输出串联有FET开关，输出源阻抗标称值为5.5kΩ。内部参考源在25°C时的公差为±10mV，典型温度系数为25ppm/°C，温度范围内最大误差为±25mV。

2.4 模拟输入部分

AD7863有三种类型：AD7863 - 10（±10V输入范围）、AD7863 - 3（±2.5V输入范围）和AD7863 - 2（0V至2.5V输入范围）。AD7863 - 10和AD7863 - 3的模拟输入部分有特定的电阻网络，输入无动态充电电流。输出编码为二进制补码，设计的代码转换发生在连续整数LSB值上。AD7863 - 2的模拟输入部分无偏置电阻，输入范围为0V至2.5V，输入电流小于100nA，输出编码为自然二进制。

2.5 偏移和满量程调整

在大多数数字信号处理应用中，偏移和满量程误差对系统性能影响较小。但在某些需要输入信号覆盖整个模拟输入动态范围的应用中，需将偏移和满量程误差调整为零。可通过调整驱动AD7863模拟输入的运算放大器的偏移来调整偏移误差，先在输入电压低于模拟地1/2 LSB时进行调整。增益误差可在第一个代码转换（ADC负满量程）或最后一个代码转换（ADC正满量程）处进行调整。也可通过调整VREF引脚电压来调整满量程误差。

三、工作模式

3.1 模式1：正常功率，高采样性能

在模式1下，CONVST下降沿启动转换，跟踪/保持放大器进入保持状态，BUSY信号变高表示转换正在进行。转换完成（CONVST下降沿后最多5.2μs）时，BUSY信号变低，转换结果可读取。若多路复用器选择A0为低，第一次转换后的前两个读取脉冲访问通道A的结果；第二次转换且A0为高时，后两个读取脉冲访问通道B的结果。数据通过14位并行数据总线读取，读取操作需在下次CONVST下降沿前至少400ns完成，此模式适用于高采样应用，可实现175kHz的吞吐量。

3.2 模式2：转换后自动掉电，自动睡眠

在模式2下，转换完成后BUSY信号变低，器件自动进入睡眠模式，下次转换前唤醒。CONVST上升沿唤醒器件，使用外部参考时唤醒时间为4.8μs，使用内部参考时为5ms。唤醒后跟踪/保持放大器进入保持状态，转换需5.2μs，从CONVST上升沿到转换完成共需10μs（外部参考）或5.005ms（内部参考）。此模式在器件转换速率较慢时非常有用，可显著降低功耗。

四、动态性能指标

4.1 信噪比（SNR）

SNR是ADC输出端的信号 - 噪声比，信号是基波的均方根幅度，噪声是采样频率一半（fs/2）以内所有非基波信号的均方根和（不包括直流）。理论上，正弦波输入时SNR与位数N的关系为(SNR = (6.02N + 1.76)dB)，对于14位转换器，理论SNR为86.04dB。通过对AD7863进行FFT分析可获得实际SNR。

4.2 总谐波失真（THD）

THD是谐波均方根和与基波均方根值的比值，计算公式为(THD(dB) = 20logfrac{sqrt{V{2}^{2} + V{3}^{2} + V{4}^{2} + V{5}^{2}}}{V{1}})，其中(V{1})是基波的均方根幅度，(V{2}) - (V{5})是二次至五次谐波的均方根幅度。THD也可从ADC输出频谱的FFT图中得出。

4.3 互调失真

输入由两个频率的正弦波组成时，非线性有源器件会在和差频率mfa ± nfb（m, n = 0, 1, 2, 3...）处产生失真产物。二次和三次互调项分别有不同的频率特性，计算互调失真时，是将各个失真产物的均方根和与基波的均方根幅度的比值以dB表示。

4.4 峰值谐波或杂散噪声

指ADC输出频谱中（fs/2以内，不包括直流）次大分量的均方根值与基波均方根值的比值，通常由频谱中最大谐波决定，若谐波淹没在噪声中，则为噪声峰值。

4.5 DC线性图

可通过典型的DNL和INL图直观了解AD7863的DC线性性能。

五、功耗考虑

在自动掉电模式下，AD7863的功耗取决于采样率。当采样率远低于175kHz时，功耗会降低。通过功率 - 采样率图可直观看到不同采样率下的功耗情况。

六、微处理器接口

AD7863的高速总线时序允许直接与DSP处理器和现代16位微处理器接口。文档中给出了与ADSP - 2100、ADSP - 2101/ADSP - 2102、TMS32010、TMS320C25、MC68000和80C196等微处理器的接口示例，不同接口有各自的特点和操作指令。

七、应用场景

7.1 矢量电机控制

在矢量电机控制中，电机电流可分为产生转矩和产生磁通量的两个分量，为实现电机的最佳性能，需独立控制这两个分量。AD7863非常适合该应用，通过同时采样电机两相电流和电压信息，可保留相对相位信息。DSP微处理器根据AD7863反馈的信息进行数学变换和控制回路计算。

7.2 多通道系统

多个AD7863可配置为处理多输入通道的系统，常用于声纳和雷达等应用。通过一个公共读取信号驱动所有AD7863的(overline{RD})输入，每个AD7863有唯一地址，由地址解码器选择。可使用一个AD7863的参考输出驱动其他AD7863的参考输入，确保各通道之间的满量程跟踪良好。

八、PCB布局考虑

为实现AD7863的最佳性能，PCB布局至关重要。应采用单独的模拟接地平面（AGND），涵盖AD7863的所有接地引脚、电压参考电路、电源旁路电路、模拟输入走线以及相关输入/缓冲放大器。数字信号走线应在常规PCB接地平面（DGND）内。同时，PCB应具有两个独立的电源平面，分别用于模拟和数字电路，模拟电源平面应通过铁氧体磁珠与常规PCB电源平面单点连接。为降低模拟电源平面的噪声，可使用多个去耦电容器，将(V_{DD})和参考引脚分别去耦到AGND，电容器应尽可能靠近AD7863引脚，以减小引线电感。

九、订购指南

AD7863有多种型号可供选择，不同型号在输入范围、相对精度、温度范围、封装类型等方面有所差异，用户可根据实际需求进行选择。

总之，AD7863凭借其高速、低功耗、高精度等特性，在众多电子应用中展现出强大的优势。电子工程师在设计相关系统时，可充分利用其特点，实现更高效、更精确的信号处理。你在使用AD7863或其他类似ADC时，遇到过哪些有趣的问题或挑战呢？欢迎在评论区分享。