低功耗 10 位 ADC——MAX192 的深度剖析与应用

在电子设计领域，模拟信号到数字信号的转换是一项至关重要的技术。ADC（模拟 - 数字转换器）作为实现这一转换的关键器件，其性能直接影响着整个系统的精度和可靠性。今天，我们就来详细了解一款低功耗、8 通道、串行 10 位 ADC——MAX192。

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一、产品概述

MAX192 是一款低成本的 10 位数据采集系统。它集成了 8 通道多路复用器、高带宽跟踪/保持电路和串行接口，具备高速转换能力和超低功耗特性，仅需单一的 +5V 电源就能正常工作。其模拟输入支持软件配置，可实现单端和差分（单极性/双极性）操作。该器件提供了 20 引脚的 DIP、SO 和 SSOP 封装形式，其中 SSOP 封装比 8 引脚 DIP 封装节省 30% 的空间。此外，它在数据格式上与 MAX186/MAX188 具有软硬件兼容性。

二、产品特性

（一）输入通道与供电

• 多通道输入：支持 8 通道单端输入或 4 通道差分输入，能满足不同应用场景下对多路信号采集的需求。
• 单电源供电：仅需一个 +5V 电源，简化了电源设计，降低了系统成本。

（二）低功耗设计

• 工作与待机功耗：工作电流仅为 1.5mA，在掉电模式下电流可低至 2µA。通过在转换间隙进行掉电操作，在降低采样率时，电源电流能降至 10µA 以下，显著节省了能源。

（三）采样性能

• 内部跟踪/保持：集成了内部跟踪/保持电路，采样率可达 133kHz，能够快速准确地采集模拟信号。
• 高精度参考电压：内部带有 4.096V 参考电压，典型漂移为 ±30ppm，并且参考缓冲放大器简化了增益调整，两个亚 LSB 可减少量化误差。

（四）接口兼容性

• 串行接口：采用 4 线串行接口，可直接连接 SPI™、QSPI™ 和 Microwire™ 设备，无需外部逻辑。同时，其串行选通输出可直接连接 TMS320 系列数字信号处理器。

三、应用领域

MAX192 凭借其出色的性能，在多个领域得到了广泛应用。

• 汽车领域：可用于汽车电子系统中的传感器信号采集，如温度、压力、流量等传感器的信号转换。
• 消费电子：在便携式设备、智能家居等产品中，实现对各种模拟信号的数字化处理，如音频、视频信号的采集。
• 医疗仪器：满足医疗设备对高精度信号采集的要求，如心电图仪、血压计等。
• 机器人技术：为机器人的各种传感器提供模拟信号转换，实现机器人对周围环境的感知。

四、电气特性

（一）直流精度

• 分辨率：达到 10 位，能够提供较高的精度。
• 相对精度：MAX192A 型的相对精度为 ±1/2 LSB，MAX192B 型为 ±1 LSB，且在不同温度下无丢失码，保证了测量的准确性。
• 差分非线性：DNL 为 ±1 LSB，偏移误差为 ±2 LSB，增益误差为 ±2 LSB，这些参数确保了 ADC 在不同输入信号下的稳定性能。

（二）动态特性

• 信噪比和失真比（SINAD）：达到 66dB，能够有效抑制噪声和失真，提高信号质量。
• 总谐波失真（THD）：低至 -70dB，保证了信号的纯净度。
• 无杂散动态范围（SFDR）：为 70dB，显示了 ADC 在处理复杂信号时的出色能力。
• 通道间串扰：为 -75dB，减少了通道之间的相互干扰。

（三）转换速率

• 转换时间：在外部时钟为 2MHz、12 个时钟/转换周期的情况下，转换时间为 5.5 - 10µs；使用内部时钟时，也能保证较快的转换速度。
• 跟踪/保持采集时间：tAZ 为 1.5µs，确保了快速采集模拟信号。

五、工作原理

（一）转换技术

MAX192 采用逐次逼近转换技术和输入跟踪/保持（T/H）电路，将模拟信号转换为 10 位数字输出。其等效输入电路展示了采样架构的细节。在单端模式下，IN + 内部连接到 CH0 - CH7，IN - 连接到 AGND；在差分模式下，IN + 和 IN - 从 CH0/CH1、CH2/CH3、CH4/CH5 和 CH6/CH7 对中选择。在差分模式下，仅对 IN + 处的信号进行采样，IN - 需在转换过程中相对于 AGND 保持 ±0.5LSB（最佳为 ±0.1LSB）的稳定性，可通过连接 0.1µF 电容到 AIN - 实现。

（二）跟踪/保持模式

T/H 电路在 8 位控制字的第 5 位移入后的下降沿进入跟踪模式，在第 8 位移入后的下降沿进入保持模式。根据输入设置的不同，可对单端或差分输入信号进行采样。跟踪/保持的采集时间与输入电容的充电速度有关，计算公式为 (t{AZ} = 9(R{S} + R{IN})16 pF)，其中 (R{IN}=5 kΩ)，(R{S}) 为输入信号的源阻抗，且 (t{AZ}) 不小于 1.5µs。当源阻抗低于 5kΩ 时，对 ADC 的交流性能影响不大；若使用更高的源阻抗，可在模拟输入处连接输入电容，但会形成 RC 滤波器，限制 ADC 的信号带宽。

（三）输入带宽与保护

ADC 的输入跟踪电路具有 4.5MHz 的小信号带宽，可利用欠采样技术对高速瞬态事件进行数字化处理，并测量带宽超过采样率的周期信号。为避免高频信号混叠到感兴趣的频段，建议使用抗混叠滤波器，如 MAX291 - MAX297 系列。内部保护二极管可将模拟输入钳位在 VDD 和 AGND 之间，允许通道输入引脚在 AGND - 0.3V 至 VDD + 0.3V 范围内摆动而不损坏。但为保证满量程附近的准确转换，输入应不超过 VDD 50mV 或低于 AGND 50mV。

六、时钟模式

（一）外部时钟模式

在外部时钟模式下，外部时钟不仅用于数据的移位输入和输出，还驱动模拟 - 数字转换步骤。控制字节的最后一位之后，SSTRB 会有一个时钟周期的高电平脉冲，随后的 12 个 SCLK 下降沿依次输出逐次逼近的决策结果，前 10 位为有效数据位，后两位为亚 LSB 位。当 CS 为高电平时，SSTRB 和 DOUT 进入高阻态；CS 再次变为低电平时，SSTRB 输出低电平。若时钟周期超过 10µs 或串行时钟中断可能导致转换间隔超过 120µs，建议使用内部时钟模式。

（二）内部时钟模式

内部时钟模式下，MAX192 内部生成转换时钟，减轻了微处理器的负担，允许在零到典型的 10MHz 任意时钟速率下读取转换结果。转换开始时 SSTRB 变低，转换完成后变高，最多持续 10µs，在此期间 SCLK 保持低电平可获得最佳噪声性能。转换过程中的数据存储在内部寄存器中，转换完成后，SSTRB 变高，下一个 SCLK 下降沿从 DOUT 输出转换结果的 MSB，后续位以 MSB 优先格式输出。CS 在转换开始后无需保持低电平。当 CS 为高电平时，SSTRB 不会进入高阻态。在内部时钟模式下，只要最小采集时间 (t_{AZ}) 保持在 1.5µs 以上，数据可以以超过 4.0MHz 的时钟速率进行移位输入和输出。

七、掉电模式选择

（一）软件掉电

通过控制字节的 PD1 和 PD0 位可激活软件掉电，同时这两位也指定了时钟模式。软件掉电时，ADC 会在完成当前转换后进入低静态电流状态。在内部时钟模式下，即使 MAX192 已进入软件掉电状态，接口仍保持活跃，可读取转换结果。

（二）硬件掉电

SHDN 引脚可使转换器进入完全掉电模式，与软件掉电不同，此时转换会立即停止。使用外部参考且不关闭时，不存在上电延迟。SHDN 引脚还可选择内部或外部参考补偿。

（三）功耗分析

MAX192 的自动掉电模式在低于最大采样率运行时可显著节省功耗。例如，在每秒最多 500 次转换/通道的情况下，采用全功率掉电模式和内部参考补偿，在 REFADJ 处使用 0.01µF 旁路电容与内部 20kΩ 参考电阻形成 RC 滤波器，上电后需 10 个时间常数（2ms）达到 10 位精度，在快速掉电模式下等待 2ms 可使功耗降低 10 倍以上。在更高吞吐量下，采用外部参考补偿的快速掉电模式，转换后等待 50µs 可实现快速多通道转换与低功耗的结合。

八、参考电压选择

（一）内部参考

使用内部参考时，MAX192 在单极性输入下的满量程范围为 4.096V，差分双极性输入下为 ±2.048V。内部参考电压可通过参考调整电路在 ±1.5% 范围内调整。

（二）外部参考

外部参考可连接到 VREF 端子或 REFADJ 引脚。REFADJ 输入阻抗典型值为 20kΩ，VREF 处的输入阻抗直流电流下最小为 12kΩ。转换期间，VREF 处的外部参考需能够提供高达 350µA 的直流负载电流，输出阻抗应不超过 10Ω。若参考电压输出阻抗较高或有噪声，可在 VREF 引脚附近使用 4.7µF 电容进行旁路。使用缓冲的 REFADJ 输入可避免对参考电压进行外部缓冲。

九、设计注意事项

（一）布局与接地

为获得最佳性能，建议使用印刷电路板，避免使用绕线板。电路板布局应确保数字和模拟信号线相互分离，避免模拟和数字（特别是时钟）线平行布线，以及数字线在 ADC 封装下方走线。应建立单点模拟接地（“星形”接地点），所有其他模拟地和 DGND 连接到该点，避免其他数字系统接地与此单点接地连接。电源接地回路应具有低阻抗且尽可能短，以减少噪声干扰。在靠近 MAX192 处使用 0.1µF 和 4.7µF 旁路电容对 (V_{DD}) 电源进行旁路，减少电源中的高频噪声对 ADC 高速比较器的影响。若 +5V 电源噪声较大，可连接 10Ω 电阻作为低通滤波器。

（二）高速数字接口

MAX192 可通过特定电路与 QSPI 实现高吞吐量接口。该 QSPI 电路可编程对八个通道进行转换，结果存储在内存中，无需 CPU 过多干预。在外部时钟模式下，可对八个模拟输入通道进行单端、单极性转换。对于与 TMS320 的接口，通过监测 MAX192 的 SSTRB 输出，可确定转换是否完成并接收数据。具体操作步骤包括配置 TMS320 的时钟、驱动 MAX192 的 CS 引脚、写入 8 位字启动转换，最后在转换完成后将 CS 置高。

总之，MAX192 以其低功耗、多通道、高精度等特点，在众多应用领域中展现出了强大的优势。电子工程师在设计过程中，可根据具体需求合理选择其工作模式、掉电模式和参考电压，同时注意电路板布局和接地等问题，以充分发挥该 ADC 的性能。你在使用类似 ADC 时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验。