深入解析MAX115/MAX116：2x4通道同步采樣12位ADC

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是連接模擬世界和數(shù)字世界的關(guān)鍵橋梁。今天，我們要深入探討的是Maxim公司的MAX115/MAX116，這兩款2x4通道同步采樣12位ADC在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出了卓越的性能。

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一、產(chǎn)品概述

MAX115/MAX116是高速、多通道、12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS），具備同步采樣保持（T/H）功能。它們集成了12位、2μs的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、+2.5V參考電壓、緩沖參考輸入以及一組四個(gè)同步采樣T/H放大器，能有效保留采樣輸入的相對(duì)相位信息。每個(gè)T/H有兩個(gè)多路復(fù)用輸入，總共提供八個(gè)輸入通道。此外，轉(zhuǎn)換器具有±17V的過(guò)壓耐受性，任何通道的故障都不會(huì)損壞IC。MAX115的輸入范圍為±5V，MAX116為±2.5V。其并行接口的數(shù)據(jù)訪問(wèn)和總線釋放時(shí)序規(guī)范與大多數(shù)流行的數(shù)字信號(hào)處理器和16位/32位微處理器兼容，無(wú)需等待狀態(tài)即可訪問(wèn)轉(zhuǎn)換結(jié)果。

二、應(yīng)用場(chǎng)景

MAX115/MAX116的應(yīng)用十分廣泛，主要包括以下幾個(gè)方面：

1. 多相電機(jī)控制：在矢量電機(jī)控制中，需要監(jiān)測(cè)各個(gè)相電流。MAX115/MAX116可以同時(shí)采樣兩個(gè)電流（如CH1A和CH2A），并保留必要的相對(duì)相位信息。通過(guò)坐標(biāo)變換，只需數(shù)字化兩個(gè)相電流，就可以數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出第三個(gè)相電流。同時(shí)，還可以通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)相電壓（CH3A、CH4A）獲取電壓（位置）反饋，并且可以利用額外的通道評(píng)估其他模擬輸入，如主直流母線電壓、溫度傳感器等。
2. 電網(wǎng)同步：在電網(wǎng)系統(tǒng)中，需要精確測(cè)量電壓和電流的相位和幅值，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。MAX115/MAX116的同步采樣功能和高精度轉(zhuǎn)換能力，可以滿足電網(wǎng)同步對(duì)數(shù)據(jù)采集的要求。
3. 功率因數(shù)監(jiān)測(cè)：通過(guò)對(duì)電壓和電流的同步采樣和分析，可以準(zhǔn)確計(jì)算功率因數(shù)，為電力系統(tǒng)的節(jié)能和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。
4. 數(shù)字信號(hào)處理：在數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中，需要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行高速、高精度的采樣和轉(zhuǎn)換。MAX115/MAX116的高速轉(zhuǎn)換和多通道同步采樣能力，可以為數(shù)字信號(hào)處理提供高質(zhì)量的輸入數(shù)據(jù)。
5. 振動(dòng)和波形分析：對(duì)于振動(dòng)和波形分析，需要快速、準(zhǔn)確地采集信號(hào)的波形信息。MAX115/MAX116的高速采樣和高分辨率轉(zhuǎn)換，可以滿足振動(dòng)和波形分析對(duì)數(shù)據(jù)采集的要求。

三、產(chǎn)品特性

3.1 同步采樣T/H放大器

MAX115/MAX116擁有四個(gè)同步采樣T/H放大器，每個(gè)T/H有兩個(gè)多路復(fù)用輸入，總共提供八個(gè)單端輸入。這種設(shè)計(jì)允許同時(shí)采樣多個(gè)信號(hào)，并保留它們的相對(duì)相位信息，對(duì)于需要精確測(cè)量多個(gè)信號(hào)之間相位關(guān)系的應(yīng)用非常有用。

3.2 高速轉(zhuǎn)換

每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間為2μs，吞吐量根據(jù)通道數(shù)量的不同而有所變化。在單通道模式下，吞吐量可達(dá)390ksps；雙通道模式下為218ksps；三通道模式下為152ksps；四通道模式下為116ksps。這種高速轉(zhuǎn)換能力使得MAX115/MAX116能夠處理快速變化的信號(hào)。

3.3 寬輸入范圍

MAX115的輸入范圍為±5V，MAX116為±2.5V，可以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)輸入信號(hào)范圍的要求。同時(shí)，輸入保護(hù)結(jié)構(gòu)允許輸入電壓達(dá)到±17V而不會(huì)損壞IC，提高了產(chǎn)品的可靠性。

3.4 故障保護(hù)

輸入多路復(fù)用器具有±17V的過(guò)壓保護(hù)功能，任何通道的故障都不會(huì)損壞IC，增強(qiáng)了產(chǎn)品在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性。

3.5 內(nèi)部參考或外部參考

可以選擇使用內(nèi)部+2.5V參考電壓或外部參考電壓。內(nèi)部參考使用方便，外部參考則可以在寬溫度范圍內(nèi)提供更高的精度。

3.6 可編程片上序列器

內(nèi)部微序列器可以編程為每次轉(zhuǎn)換一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)通道，提供了靈活的配置選項(xiàng)。

3.7 高速并行DSP接口

并行接口的數(shù)據(jù)訪問(wèn)和總線釋放時(shí)序規(guī)范與大多數(shù)流行的數(shù)字信號(hào)處理器和16位/32位微處理器兼容，方便與其他數(shù)字系統(tǒng)集成。

3.8 內(nèi)部時(shí)鐘

內(nèi)部時(shí)鐘頻率為10MHz（典型值），也可以使用外部時(shí)鐘，時(shí)鐘輸入的占空比要求在30%到70%之間。

四、電氣特性

4.1 直流精度

• 分辨率：所有通道的分辨率為12位，能夠提供較高的測(cè)量精度。
• 積分非線性（INL）：典型值為0.6 LSB，最大值為±1 LSB，反映了模擬值與理論值的偏差。
• 差分非線性（DNL）：典型值為0.6 LSB，最大值為±1 LSB，體現(xiàn)了相鄰代碼之間的差異。
• 雙極性零誤差：在不同溫度范圍內(nèi)，MAX115和MAX116的雙極性零誤差有所不同，例如在TA = +25°C時(shí)，MAX115的雙極性零誤差為±5mV，MAX116為±5mV。
• 增益誤差：同樣在不同溫度下，MAX115和MAX116的增益誤差也有相應(yīng)的規(guī)定，如在TA = +25°C時(shí)，MAX115的增益誤差為±5mV，MAX116為±5mV。

4.2 動(dòng)態(tài)性能

• 信噪比（SNR）：在fCLK = 16MHz，fIN = 10.06kHz的條件下，典型值為69dB，反映了信號(hào)與噪聲的比例關(guān)系。
• 總諧波失真（THD）：典型值小于 -80dB，體現(xiàn)了信號(hào)的失真程度。
• 無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）：典型值為80dB，衡量了信號(hào)中雜散信號(hào)的強(qiáng)度。
• 通道間隔離度：典型值為80dB，表明不同通道之間的干擾程度較小。

4.3 模擬輸入特性

• 輸入電壓范圍：MAX115為±5V，MAX116為±2.5V。
• 輸入電流：MAX115在 -5V至 +5V范圍內(nèi)的輸入電流為±625μA，MAX116在 -2.5V至 +2.5V范圍內(nèi)的輸入電流為±15μA。
• 輸入電容：為16pF。

4.4 跟蹤/保持特性

• 采集時(shí)間：為600ns，確保能夠快速準(zhǔn)確地采集輸入信號(hào)。
• 小信號(hào)帶寬：為10MHz，能夠處理較高頻率的信號(hào)。
• 全功率帶寬：為1.3MHz。
• 下降率：為2mV/ms。
• 孔徑延遲：典型值為10ns。
• 孔徑抖動(dòng)：為30ps。
• 孔徑延遲匹配：為500ps，保證了多個(gè)通道之間的同步性。

4.5 參考輸出特性

• 輸出電壓：在TA = +25°C時(shí)，典型值為2.5V，范圍為2.462V至2.532V。
• 外部負(fù)載調(diào)節(jié)：在0 < IREF < 1mA的條件下，為0.5mV/mA。
• REFOUT溫度系數(shù)：為30ppm/°C。
• 外部電容旁路：REFIN處需要0.1μF的電容，REFOUT處需要4.7 - 22μF的電容。

4.6 參考輸入特性

• 輸入電壓范圍：為2.40V至2.60V。
• 輸入電流：為±50μA。
• 輸入電阻：為10kΩ。
• 輸入電容：為10pF。

4.7 時(shí)鐘特性

• 外部時(shí)鐘頻率：為16MHz。
• 內(nèi)部時(shí)鐘頻率：范圍為5.6MHz至14.8MHz，典型值為10MHz。

4.8 數(shù)字輸入輸出特性

• 數(shù)字輸入：輸入高電壓VIH為2.4V，輸入低電壓VIL為0.8V，輸入電流IIN為±10μA，輸入電容CIN為15pF。
• 數(shù)字輸出：輸出高電壓VOH在lOUT = 1mA時(shí)為4V，輸出低電壓VOL在loUT = -1.6mA時(shí)為0.4V，三態(tài)泄漏電流為±10μA，三態(tài)輸出電容為10pF。

4.9 電源要求

• 正電源電壓：AVDD范圍為4.75V至5.25V。
• 負(fù)電源電壓：AVSS范圍為 -5.25V至 -4.75V。
• 數(shù)字電源電壓：DVDD范圍為4.75V至5.25V。
• 正電源電流：IAVDD典型值為17mA，最大值為25mA。
• 負(fù)電源電流：IAVSS典型值為 -15mA，最小值為 -20mA。
• 數(shù)字電源電流：典型值為3mA，最大值為6mA。
• 關(guān)斷正電流：典型值為1μA。
• 關(guān)斷負(fù)電流：典型值為 -1μA。
• 關(guān)斷數(shù)字電流：典型值為13μA。
• 正電源抑制比（PSRR+）：為±1 LSB。
• 負(fù)電源抑制比（PSRR -）：為±1 LSB。
• 功耗：典型值為175mW。

五、引腳配置和功能

5.1 引腳配置

5.2 引腳功能詳解

• 模擬輸入引腳（CHxA、CHxB）：用于連接外部模擬信號(hào)，每個(gè)通道有兩個(gè)多路復(fù)用輸入，可提供總共八個(gè)單端輸入。
• 電源引腳（AVDD、AVSS、DVDD、DGND）：AVDD和AVSS為模擬電源，DVDD和DGND為數(shù)字電源，為芯片提供必要的電源供應(yīng)。
• 參考引腳（REFIN、REFOUT）：REFIN用于連接外部參考電壓或輸出內(nèi)部參考電壓，REFOUT為參考緩沖輸出，需要適當(dāng)?shù)碾娙菖月芬员ＷC參考電壓的穩(wěn)定。
• 數(shù)據(jù)和地址引腳（D0 - D11、A0 - A3）：D0 - D11為數(shù)據(jù)位，用于傳輸轉(zhuǎn)換后的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)；A0 - A3為地址位，用于選擇轉(zhuǎn)換通道和編程工作模式。
• 控制引腳（CS、WR、RD、CONVST、INT）：CS為芯片選擇信號(hào)，WR和RD分別為寫和讀控制信號(hào)，CONVST用于啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，INT用于指示轉(zhuǎn)換結(jié)束。
• 時(shí)鐘引腳（CLK）：可選擇內(nèi)部時(shí)鐘或外部時(shí)鐘，通過(guò)連接CLK到DVDD激活內(nèi)部時(shí)鐘。

六、工作原理

6.1 轉(zhuǎn)換技術(shù)

MAX115/MAX116采用逐次逼近型轉(zhuǎn)換技術(shù)，結(jié)合四個(gè)同步采樣T/H放大器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字輸出。每個(gè)T/H放大器有兩個(gè)多路復(fù)用輸入，允許總共八個(gè)輸入。T/H放大器在CONVST信號(hào)的上升沿保持輸入電壓，然后ADC對(duì)每個(gè)T/H輸出進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將結(jié)果存儲(chǔ)在內(nèi)部4 x 12位存儲(chǔ)器中。

6.2 轉(zhuǎn)換時(shí)序和控制

轉(zhuǎn)換時(shí)序和控制序列由內(nèi)部或外部時(shí)鐘、CONVST信號(hào)和編程模式?jīng)Q定。CONVST信號(hào)的上升沿啟動(dòng)采樣和轉(zhuǎn)換序列，在轉(zhuǎn)換完成之前，額外的CONVST脈沖將被忽略。片上序列器可以根據(jù)編程模式，每次轉(zhuǎn)換一個(gè)到四個(gè)通道。默認(rèn)模式下，轉(zhuǎn)換一個(gè)T/H輸出（CH1A），轉(zhuǎn)換完成后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)（INT）。通過(guò)雙向并行接口重新編程，可以選擇轉(zhuǎn)換兩個(gè)到四個(gè)通道。

6.3 數(shù)據(jù)訪問(wèn)

轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)器中，可以通過(guò)對(duì)RD引腳施加連續(xù)脈沖來(lái)訪問(wèn)數(shù)據(jù)。連續(xù)讀取操作將按順序訪問(wèn)數(shù)據(jù)字，存儲(chǔ)器不是隨機(jī)訪問(wèn)的，CH1的數(shù)據(jù)總是首先被讀取。在進(jìn)行四次連續(xù)讀取或啟動(dòng)新的轉(zhuǎn)換后，地址指針將重新選擇CH1。

6.4 編程模式

MAX115/MAX116有八種轉(zhuǎn)換模式和一個(gè)掉電模式，通過(guò)雙向并行接口進(jìn)行編程。上電時(shí)，設(shè)備默認(rèn)進(jìn)入輸入多路復(fù)用器A/單通道轉(zhuǎn)換模式。用戶可以選擇兩個(gè)四通道輸入組（多路復(fù)用輸入A或多路復(fù)用輸入B），內(nèi)部微序列器可以編程為每次采樣轉(zhuǎn)換一個(gè)到四個(gè)通道。

七、使用注意事項(xiàng)

7.1 時(shí)鐘選擇

MAX115/MAX116有內(nèi)部10MHz（典型值）時(shí)鐘，可通過(guò)連接CLK到DVDD激活，內(nèi)部時(shí)鐘啟動(dòng)時(shí)間典型值為165μs。CLK輸入也可接受占空比在30% - 70%之間的外部時(shí)鐘。在選擇時(shí)鐘時(shí)，需要根據(jù)具體應(yīng)用需求和系統(tǒng)要求來(lái)決定使用內(nèi)部時(shí)鐘還是外部時(shí)鐘。如果對(duì)時(shí)鐘精度要求較高，可能需要使用外部時(shí)鐘；如果追求簡(jiǎn)單和方便，則可以選擇內(nèi)部時(shí)鐘。

7.2 參考電壓

可以使用內(nèi)部或外部參考電壓。內(nèi)部參考使用方便，但在寬溫度范圍內(nèi)精度可能不如外部參考。如果需要在寬溫度范圍內(nèi)保證高精度，建議使用外部參考電壓，如MAX6325，其溫度漂移最大為1ppm/°C。連接外部參考時(shí)，REFIN的最小阻抗為7kΩ，REFOUT需要用4.7μF低ESR電容旁路。

7.3 電源旁路和接地

為了獲得最佳系統(tǒng)性能，應(yīng)使用具有獨(dú)立模擬和數(shù)字接地平面的印刷電路板，不建議使用繞線板。將DGND和AGND引腳連接在一起，并連接到系統(tǒng)模擬接地平面，以避免數(shù)字噪聲干擾ADC的模擬部分。AGND引腳必須直接連接到低阻抗接地平面，引腳與接地平面之間的額外阻抗會(huì)增加串?dāng)_并降低積分非線性（INL）。同時(shí)，AVDD和AVSS需要用0.1μF陶瓷電容旁路到AGND，DVDD需要用0.1μF陶瓷電容旁路到DGND，可使用鐵氧體磁珠進(jìn)一步隔離模擬和數(shù)字電源。

7.4 編程和轉(zhuǎn)換操作

在編程MAX115/MAX116時(shí)，將CS拉低，對(duì)雙向引腳A0 - A3進(jìn)行編程，并將WR脈沖拉低，數(shù)據(jù)在WR或CS的上升沿鎖存到設(shè)備中。啟動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)，在編程完成后，將CONVST脈沖拉低以啟動(dòng)轉(zhuǎn)換序列，模擬輸入在CONVST上升沿采樣。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，不要啟動(dòng)新的轉(zhuǎn)換，也不要進(jìn)行讀取操作，否則會(huì)影響轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，在收到INT信號(hào)后，通過(guò)最多四次讀取操作訪問(wèn)最多四個(gè)通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

7.5 輸入帶寬和抗混疊濾波

T/H的輸入跟蹤電路具有10MHz小信號(hào)帶寬，可以使用欠采樣技術(shù)數(shù)字化高速瞬態(tài)事件和測(cè)量帶寬超過(guò)ADC采樣率的周期性信號(hào)。為了避免高頻信號(hào)混疊到感興趣的頻帶中，建議使用抗混疊濾波。

八、總結(jié)

MAX115/MAX116作為一款高性能的2x4通道同步采樣12位ADC，具有高速轉(zhuǎn)換、寬輸入范圍、故障保護(hù)、靈活的編程模式等諸多優(yōu)點(diǎn)，適用于多相電機(jī)控制、電網(wǎng)同步、功率因數(shù)監(jiān)測(cè)等多種應(yīng)用場(chǎng)景。在使用過(guò)程中，需要注意時(shí)鐘選擇、參考電壓、電源旁路和接地、編程和轉(zhuǎn)換操作以及輸入帶寬等方面的問(wèn)題，以確保其性能的充分發(fā)揮。電子工程師在設(shè)計(jì)中可以根據(jù)具體需求，合理選擇和使用MAX115/MAX116，為系統(tǒng)的高效運(yùn)行提供有力支持。

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