MAX192：低功耗8通道串行10位ADC的卓越性能与应用

一、引言

在电子设计领域，模拟信号到数字信号的转换是一个关键环节。ADC（模拟 - 数字转换器）作为实现这一转换的核心器件，其性能直接影响着整个系统的精度和稳定性。今天我们要介绍的MAX192，就是一款具有出色性能的低功耗8通道串行10位ADC，它在多个领域都有着广泛的应用。

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二、产品概述

2.1 基本特性

MAX192是一款低成本的10位数据采集系统，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。它具有高转换速度和超低功耗的特点，采用单 +5V 电源供电。模拟输入可通过软件配置为单端和差分（单极性/双极性）操作模式。

2.2 接口优势

其4线串行接口可直接连接SPI™、QSPI™和Microwire™设备，无需外部逻辑。串行选通输出允许直接连接TMS320系列数字信号处理器。使用内部时钟时，串行接口的工作频率可超过4MHz。

2.3 参考电压

MAX192拥有内部4.096V参考电压，典型漂移为±30ppm。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。

2.4 电源管理

提供硬连线SHDN引脚和两种软件可选的掉电模式。访问串行接口会自动唤醒设备，快速开启时间允许在转换之间关闭设备，在降低采样率时，电源电流可降至10µA以下。

2.5 封装形式

提供20引脚DIP、SO和SSOP封装，其中SSOP封装比8引脚DIP占用面积小30%。数据格式与MAX186/MAX188硬件和软件兼容。

三、技术参数详解

3.1 直流精度

• 分辨率：10位，能够满足大多数应用的精度需求。
• 相对精度：MAX192A为±1/2 LSB，MAX192B为±1 LSB。
• 差分非线性：无缺失码，最大±1 LSB。
• 偏移误差：最大±2 LSB。
• 增益误差：外部参考4.096V时，最大±2 LSB。
• 增益温度系数：外部参考4.096V时，典型±0.8 ppm/°C。
• 通道间偏移匹配：最大±0.1 LSB。

3.2 动态特性

• 信噪失真比（SINAD）：典型66 dB。
• 总谐波失真（THD）：最大 -70 dB。
• 无杂散动态范围（SFDR）：典型70 dB。
• 通道间串扰：65kHz，VIN = 4.096Vp - p时，最大 -75 dB。
• 小信号带宽： -3dB滚降时，典型4.5 MHz。
• 满功率带宽：典型800 kHz。

3.3 转换速率

• 转换时间：内部时钟时，5.5 - 10 µs；外部时钟2MHz，12个时钟/转换时，为6 µs。
• 跟踪/保持采集时间：典型1.5 µs。
• 孔径延迟：典型10 ns。
• 孔径抖动：典型 <50 ps。
• 内部时钟频率：典型1.7 MHz。

3.4 其他参数

• 外部时钟频率：外部补偿4.7µF时，0.1 - 2.0 MHz；内部补偿时，0.1 - 0.4 MHz；仅用于数据传输时，为10 MHz。
• 模拟输入电压：共模范围为0 - VDD，单端范围（单极性）为0 - VREF。
• 多路复用器泄漏电流：最大±1 µA。
• 输入电容：典型16 pF。

四、工作原理

4.1 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。其灵活的串行接口便于与微处理器连接，无需外部保持电容。

4.2 伪差分输入

在单端模式下，IN+ 内部切换到CH0 - CH7，IN - 切换到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，只有IN+ 的信号被采样，IN - 必须在转换期间相对于AGND保持稳定在±0.5LSB（最佳结果为±0.1LSB），可通过连接0.1µF电容到AGND来实现。

4.3 跟踪/保持

T/H在8位控制字的第5位移入后的下降时钟沿进入跟踪模式，在第8位移入后的下降时钟沿进入保持模式。跟踪/保持采集时间取决于输入电容的充电速度，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。

4.4 输入带宽

ADC的输入跟踪电路具有4.5MHz的小信号带宽，可使用欠采样技术对高速瞬态事件进行数字化，并测量带宽超过ADC采样率的周期性信号。为避免高频信号混叠，建议使用抗混叠滤波。

4.5 模拟输入范围和输入保护

内部保护二极管将模拟输入钳位到VDD和AGND，允许通道输入引脚在AGND - 0.3V到VDD + 0.3V之间摆动而不损坏。但为了在满量程附近进行准确转换，输入不得超过VDD 50mV或低于AGND 50mV。

五、应用信息

5.1 应用领域

MAX192广泛应用于汽车、笔输入系统、消费电子、便携式数据记录、机器人、电池供电仪器、电池管理和医疗仪器等领域。

5.2 启动转换

通过将控制字节时钟输入到DIN来启动转换。CS低电平时，SCLK的每个上升沿将一位从DIN时钟输入到MAX192的内部移位寄存器。CS下降后，第一个到达的逻辑“1”位定义控制字节的MSB。

5.3 数字输出

单极性输入模式下，输出为直接二进制；差分模式下的双极性输入，输出为二进制补码。数据以MSB优先格式在SCLK的下降沿时钟输出。

5.4 时钟模式

• 外部时钟模式：外部时钟不仅用于数据移位，还驱动模数转换步骤。SSTRB在控制字节的最后一位后脉冲高电平一个时钟周期。
• 内部时钟模式：MAX192内部生成转换时钟，释放微处理器运行SAR转换时钟的负担，允许以0 - 10MHz的时钟速率读取转换结果。

5.5 电源管理

• 软件掉电：通过控制字节的PD1和PD0位激活，ADC在转换完成后进入低静态电流状态。
• 硬件掉电：SHDN引脚将转换器置于完全掉电模式，转换立即停止。

5.6 参考电压

可使用内部或外部参考电压。内部参考电压的满量程范围为4.096V（单极性输入）和±2.048V（差分双极性输入），可通过参考调整电路进行±1.5%的调整。外部参考可连接到VREF或REFADJ引脚。

5.7 布局和接地

为获得最佳性能，建议使用印刷电路板，确保数字和模拟信号线相互分离。建立单点模拟接地（“星”形接地点），并使用旁路电容减少电源噪声。

5.8 高速数字接口

MAX192可通过QSPI接口实现高吞吐量，还可与TMS320数字信号处理器接口，文中给出了具体的接口电路和操作步骤。

六、总结

MAX192作为一款低功耗、高性能的8通道串行10位ADC，凭借其丰富的功能和出色的性能，在众多领域都有着广泛的应用前景。电子工程师在设计相关系统时，可以充分利用MAX192的特点，实现高精度、低功耗的模拟信号采集和处理。你在使用MAX192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。