AD4855：8通道同步采樣16位250 kSPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術剖析

在電子設計領域，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）的性能直接影響著整個系統(tǒng)的精度和可靠性。今天，我們將深入探討一款高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)——AD4855，它在眾多應用場景中展現(xiàn)出了卓越的性能。

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產品概述

AD4855是一款全緩沖、8通道同步采樣、16位、250 kSPS的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有差分、寬共模范圍輸入的特點。其采用5V低壓電源、靈活的輸入緩沖電源，并配備精密低漂移的內部參考和參考緩沖器，每個通道的SoftSpan范圍可獨立配置，以匹配應用信號的擺動，減少外部信號調理的需求。

關鍵特性

高精度數(shù)據(jù)采集

• 多通道同步采樣：能夠同時對8個通道進行采樣，每個通道的吞吐量可達250 kSPS，確保了數(shù)據(jù)采集的高效性和同步性。
• 寬輸入范圍：差分輸入范圍靈活，支持多種SoftSpan配置，包括±40 V、±25 V、±20 V等多種范圍，滿足不同應用的需求。
• 低輸入泄漏電流：在25°C時，典型輸入泄漏電流僅為±75 pA，減少了信號干擾，提高了采集精度。

高性能指標

• 高線性度：積分非線性（INL）誤差典型值為±160 μV（±40 V范圍），確保了數(shù)據(jù)的準確性。
• 低噪聲：信噪比（SNR）可達94.6 dB（±40 V范圍），動態(tài)范圍（DR）為98.1 dB（±40 V范圍），有效減少了噪聲干擾。
• 高共模抑制比：CMRR典型值為120 dB，能夠有效抑制共模信號，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

數(shù)字靈活性

• 多種接口選擇：支持SPI CMOS（0.9 V至5.25 V）和LVDS串行輸入輸出，方便與不同的數(shù)字系統(tǒng)進行接口。
• 可選過采樣：支持16位數(shù)字平均的過采樣功能，進一步提高了SNR和動態(tài)范圍。
• 可選校正功能：提供偏移、增益和相位校正功能，可校準和消除系統(tǒng)級誤差。

低功耗設計

每個通道在250 kSPS時功耗僅為27 mW，并且功耗可隨吞吐量進行調整，適合對功耗要求較高的應用。

工作原理

轉換器操作

AD4855的工作分為采集和轉換兩個階段。在采集階段，每個通道的采樣電容連接到模擬輸入緩沖器，跟蹤差分輸入電壓。當CNV引腳上升沿到來時，采樣保持電路從跟蹤模式轉換到保持模式，同時對所有通道的輸入信號進行采樣并啟動轉換。在轉換階段，采樣電容連接到16位電荷再分配電容數(shù)模轉換器（CDAC），通過逐次逼近算法將采樣的輸入電壓與通道的SoftSpan滿量程范圍的二進制加權分數(shù)進行比較，最終輸出近似的數(shù)字代碼。

傳輸函數(shù)

AD4855將每個通道的滿量程電壓范圍數(shù)字化為2^16個離散電平。每個通道的SoftSpan配置決定了其差分輸入電壓范圍、LSB大小和轉換結果的二進制格式。對于雙極性SoftSpan范圍，轉換結果以二進制補碼格式輸出；對于單極性SoftSpan范圍，則以直二進制格式輸出。

無縫高動態(tài)范圍（SHDR）技術

SHDR是一種專有技術，可在每個采樣基礎上提供盡可能低的輸入?yún)⒖嫁D換噪聲。當SHDR禁用時，每個通道的SoftSpan范圍自動定義一個固定的轉換器模擬信號增益，應用于該通道的每個采樣。當SHDR啟用時，轉換器根據(jù)每個采樣的差分電壓動態(tài)調整模擬信號增益，對于差分電壓接近所選SoftSpan范圍最大值的采樣，采用與SHDR禁用時相同的增益；對于幅度較低的采樣，轉換器自動增加增益，從而降低這些采樣的輸入?yún)⒖嫁D換噪聲，提高動態(tài)范圍。

應用信息

緩沖模擬輸入

AD4855的每個通道能夠在寬共模輸入范圍內同時采樣其模擬輸入引腳之間的電壓差，高CMRR可衰減兩個輸入共有的不需要的信號。寬共模輸入范圍和高CMRR使得INx+和INx - 模擬輸入可以任意擺動，只要每個引腳保持在(VEE + 3.2 V)和(VCC - 3.2 V)之間。此外，緩沖器VCC和VEE電源的寬工作范圍提供了進一步的輸入共模靈活性，可根據(jù)應用需求獨立偏置。

模擬輸入驅動電路

緩沖輸入級提供了高度的瞬態(tài)隔離，大多數(shù)阻抗小于10 kΩ的傳感器、信號調理放大器和濾波器網(wǎng)絡可以直接驅動4 pF的模擬輸入電容。對于更高阻抗和慢穩(wěn)定電路，可在模擬輸入引腳和GND引腳之間添加680 pF電容，以保持AD4855的全直流精度。

模擬輸入過驅動容限

在任何通道上驅動模擬輸入大于VCC電源至10 mA不會影響其他通道的轉換結果，但驅動模擬輸入小于VEE電源可能會破壞其他通道的轉換結果。在(VCC - VEE) > 44 V的應用中，建議在每個INx+和INx - 引腳串聯(lián)一個外部電阻（如100 Ω至1000 Ω），以限制故障條件下的閂鎖電流。

模擬輸入濾波

AD4855的真高阻抗模擬輸入可適應各種無源或有源信號調理濾波器。外部輸入濾波器可獨立于DAS進行優(yōu)化，以減少信號鏈噪聲和干擾。常見的濾波器配置是簡單的抗混疊和降噪RC濾波器，其極點位于采樣頻率的一半。

DAS參考

AD4855支持三種參考配置：內部帶隙參考和參考緩沖器、外部參考和內部參考緩沖器、外部參考和外部參考緩沖器。大多數(shù)應用采用內部帶隙參考和參考緩沖器，這是AD4855的默認配置。對于需要更好初始精度和/或更低參考溫度漂移的應用，可禁用內部帶隙參考，用外部參考驅動REFIO引腳。

電源考慮

AD4855需要五個電源：VCC和VEE（正負模擬輸入緩沖電源）、VDD（5 V核心電源）、VDDH（或VDDL）（1.8 V LDO或1.8 V核心電源）、VIO（數(shù)字輸入和輸出電源）。所有五個電源都有內部旁路電容，無需額外的外部旁路。

時序和控制

AD4855的采樣和轉換由CNV引腳控制。CNV引腳的上升沿將所有通道的采樣保持電路從跟蹤模式轉換到保持模式，同時采樣所有通道的輸入信號并啟動轉換。轉換器狀態(tài)由BUSY輸出指示，BUSY在每次轉換開始時變?yōu)楦唠娖剑钡睫D換完成后變?yōu)榈碗娖健?/p>

數(shù)字接口

CMOS轉換數(shù)據(jù)輸出模式

在CMOS轉換數(shù)據(jù)輸出模式下，串行CMOS轉換數(shù)據(jù)輸出總線由一個串行時鐘輸入（SCKI）、一個串行時鐘輸出（SCKO）和八個串行數(shù)據(jù)輸出通道（SDO0至SDO7）組成。通信在預定義的數(shù)據(jù)事務窗口內進行，設備輸出包含轉換或過采樣結果、可選通道配置和設備狀態(tài)信息的用戶可配置數(shù)據(jù)包。

LVDS轉換數(shù)據(jù)輸出模式

在LVDS轉換數(shù)據(jù)輸出模式下，信息通過正負極性信號對以差分編碼的方式傳輸。串行LVDS轉換數(shù)據(jù)輸出總線由差分串行時鐘輸入對（SCKI+和SCKI - ）、差分串行時鐘輸出對（SCKO+和SCKO - ）和差分串行數(shù)據(jù)輸出對（SDO+和SDO - ）組成。通信同樣在預定義的數(shù)據(jù)事務窗口內進行。

數(shù)據(jù)包格式

AD4855提供兩種用戶可選的數(shù)據(jù)包大小：16位和24位。數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)格式取決于數(shù)據(jù)包大小、過采樣模式和測試模式配置。在非過采樣模式下，通道數(shù)據(jù)包包含16位轉換結果，狀態(tài)數(shù)據(jù)包包含設備狀態(tài)信息和16位CRC。在過采樣模式下，通道數(shù)據(jù)包包含16位平均轉換結果。在測試模式下，通道數(shù)據(jù)包由CHx_TESTPAT寄存器中的數(shù)據(jù)定義。

寄存器配置

AD4855具有可編程的用戶寄存器，用于配置設備和監(jiān)控其狀態(tài)。這些寄存器可以通過SPI寄存器配置總線進行訪問。寄存器包括SPI配置寄存器、設備配置寄存器、通道配置寄存器等，每個寄存器都有特定的功能和位定義。

總結

AD4855憑借其高精度、高性能、低功耗和靈活的數(shù)字接口等特點，成為了自動測試設備、航空航天、儀器儀表和控制系統(tǒng)等領域的理想選擇。在實際應用中，工程師可以根據(jù)具體需求合理配置AD4855的參數(shù)，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。你在使用AD4855或其他類似數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗和見解。