探索AD7863：高速低功耗雙14位ADC的卓越性能與應用

在電子設計領域，模擬 - 數字轉換器（ADC）是連接現實世界模擬信號與數字系統的關鍵橋梁。今天，我們將深入探討一款性能卓越的ADC——AD7863，它由Analog Devices公司推出，具備高速、低功耗等諸多優點，廣泛應用于各種信號處理場景。

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一、AD7863概述

AD7863是一款高速、低功耗的雙14位模擬 - 數字轉換器，采用單5V電源供電。它集成了兩個5.2μs的逐次逼近型ADC、兩個跟蹤/保持放大器、一個內部2.5V參考源以及高速并行接口。四個模擬輸入被分為兩個通道（A和B），可通過A0輸入進行選擇，每個通道有兩個輸入（VA1和VA2或VB1和VB2），能夠同時采樣和轉換，有效保留了兩個模擬輸入信號的相對相位信息。

1.1 產品特性

• 雙ADC功能：具備兩個完整的ADC功能，可同時對兩個通道進行采樣和轉換，每個ADC有一個雙通道輸入多路復用器。轉換啟動后5.2μs即可獲得兩個通道的轉換結果。
• 單電源供電與低功耗：僅需單5V電源供電，典型功耗為70mW。還具備自動掉電模式，轉換完成后自動進入掉電狀態，下一次轉換前喚醒，非常適合電池供電或便攜式應用。
• 高速并行接口：提供高速并行接口，便于與微處理器、微控制器和數字信號處理器連接。
• 多種輸入范圍可選：有三種版本可供選擇，分別是AD7863 - 10（±10V）、AD7863 - 3（±2.5V）和AD7863 - 2（0V至2.5V），滿足不同應用需求。
• 高精度孔徑延遲匹配：兩個輸入采樣和保持放大器之間的孔徑延遲匹配非常緊密。

二、技術細節剖析

2.1 轉換過程

轉換通過脈沖CONVST輸入啟動。CONVST下降沿時，兩個片上跟蹤/保持放大器同時進入保持狀態，兩個通道的轉換序列同時開始。轉換時鐘由內部激光微調時鐘振蕩器電路產生。BUSY信號指示轉換結束，此時兩個通道的轉換結果可讀取。首次讀取訪問VA1或VB1的結果，第二次讀取訪問VA2或VB2的結果，具體取決于轉換啟動前多路復用器選擇A0的高低。數據通過14位并行數據總線，使用標準的(overline{CS})和(overline{RD})信號讀取。

2.2 跟蹤/保持部分

AD7863的跟蹤/保持放大器能使ADC將滿量程幅度的輸入正弦波精確轉換為14位精度。其輸入帶寬大于ADC的奈奎斯特速率，即使ADC以最大吞吐量175kHz運行，也能處理超過87.5kHz的輸入頻率。跟蹤/保持放大器能在小于500ns內以14位精度獲取輸入信號，兩個跟蹤/保持放大器在CONVST下降沿同時對各自輸入通道采樣，孔徑時間匹配良好，可準確保留不同輸入通道之間的相對相位信息，也允許多個AD7863同時采樣多個通道。轉換結束后，器件返回跟蹤模式，跟蹤/保持放大器的采集時間從此刻開始。

2.3 參考部分

AD7863有一個參考引腳VREF，可訪問其內部2.5V參考源，也可連接外部2.5V參考源。參考源誤差會導致AD7863傳輸函數的增益誤差，并增加指定的滿量程誤差。使用內部參考源時，需從VREF引腳連接兩個0.1μF陶瓷圓盤電容器到AGND。若需將該參考源用于外部，應進行緩沖，因為參考輸出串聯有FET開關，輸出源阻抗標稱值為5.5kΩ。內部參考源在25°C時的公差為±10mV，典型溫度系數為25ppm/°C，溫度范圍內最大誤差為±25mV。

2.4 模擬輸入部分

AD7863有三種類型：AD7863 - 10（±10V輸入范圍）、AD7863 - 3（±2.5V輸入范圍）和AD7863 - 2（0V至2.5V輸入范圍）。AD7863 - 10和AD7863 - 3的模擬輸入部分有特定的電阻網絡，輸入無動態充電電流。輸出編碼為二進制補碼，設計的代碼轉換發生在連續整數LSB值上。AD7863 - 2的模擬輸入部分無偏置電阻，輸入范圍為0V至2.5V，輸入電流小于100nA，輸出編碼為自然二進制。

2.5 偏移和滿量程調整

在大多數數字信號處理應用中，偏移和滿量程誤差對系統性能影響較小。但在某些需要輸入信號覆蓋整個模擬輸入動態范圍的應用中，需將偏移和滿量程誤差調整為零。可通過調整驅動AD7863模擬輸入的運算放大器的偏移來調整偏移誤差，先在輸入電壓低于模擬地1/2 LSB時進行調整。增益誤差可在第一個代碼轉換（ADC負滿量程）或最后一個代碼轉換（ADC正滿量程）處進行調整。也可通過調整VREF引腳電壓來調整滿量程誤差。

三、工作模式

3.1 模式1：正常功率，高采樣性能

在模式1下，CONVST下降沿啟動轉換，跟蹤/保持放大器進入保持狀態，BUSY信號變高表示轉換正在進行。轉換完成（CONVST下降沿后最多5.2μs）時，BUSY信號變低，轉換結果可讀取。若多路復用器選擇A0為低，第一次轉換后的前兩個讀取脈沖訪問通道A的結果；第二次轉換且A0為高時，后兩個讀取脈沖訪問通道B的結果。數據通過14位并行數據總線讀取，讀取操作需在下次CONVST下降沿前至少400ns完成，此模式適用于高采樣應用，可實現175kHz的吞吐量。

3.2 模式2：轉換后自動掉電，自動睡眠

在模式2下，轉換完成后BUSY信號變低，器件自動進入睡眠模式，下次轉換前喚醒。CONVST上升沿喚醒器件，使用外部參考時喚醒時間為4.8μs，使用內部參考時為5ms。喚醒后跟蹤/保持放大器進入保持狀態，轉換需5.2μs，從CONVST上升沿到轉換完成共需10μs（外部參考）或5.005ms（內部參考）。此模式在器件轉換速率較慢時非常有用，可顯著降低功耗。

四、動態性能指標

4.1 信噪比（SNR）

SNR是ADC輸出端的信號 - 噪聲比，信號是基波的均方根幅度，噪聲是采樣頻率一半（fs/2）以內所有非基波信號的均方根和（不包括直流）。理論上，正弦波輸入時SNR與位數N的關系為(SNR = (6.02N + 1.76)dB)，對于14位轉換器，理論SNR為86.04dB。通過對AD7863進行FFT分析可獲得實際SNR。

4.2 總諧波失真（THD）

THD是諧波均方根和與基波均方根值的比值，計算公式為(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})是二次至五次諧波的均方根幅度。THD也可從ADC輸出頻譜的FFT圖中得出。

4.3 互調失真

輸入由兩個頻率的正弦波組成時，非線性有源器件會在和差頻率mfa ± nfb（m, n = 0, 1, 2, 3...）處產生失真產物。二次和三次互調項分別有不同的頻率特性，計算互調失真時，是將各個失真產物的均方根和與基波的均方根幅度的比值以dB表示。

4.4 峰值諧波或雜散噪聲

指ADC輸出頻譜中（fs/2以內，不包括直流）次大分量的均方根值與基波均方根值的比值，通常由頻譜中最大諧波決定，若諧波淹沒在噪聲中，則為噪聲峰值。

4.5 DC線性圖

可通過典型的DNL和INL圖直觀了解AD7863的DC線性性能。

五、功耗考慮

在自動掉電模式下，AD7863的功耗取決于采樣率。當采樣率遠低于175kHz時，功耗會降低。通過功率 - 采樣率圖可直觀看到不同采樣率下的功耗情況。

六、微處理器接口

AD7863的高速總線時序允許直接與DSP處理器和現代16位微處理器接口。文檔中給出了與ADSP - 2100、ADSP - 2101/ADSP - 2102、TMS32010、TMS320C25、MC68000和80C196等微處理器的接口示例，不同接口有各自的特點和操作指令。

七、應用場景

7.1 矢量電機控制

在矢量電機控制中，電機電流可分為產生轉矩和產生磁通量的兩個分量，為實現電機的最佳性能，需獨立控制這兩個分量。AD7863非常適合該應用，通過同時采樣電機兩相電流和電壓信息，可保留相對相位信息。DSP微處理器根據AD7863反饋的信息進行數學變換和控制回路計算。

7.2 多通道系統

多個AD7863可配置為處理多輸入通道的系統，常用于聲納和雷達等應用。通過一個公共讀取信號驅動所有AD7863的(overline{RD})輸入，每個AD7863有唯一地址，由地址解碼器選擇。可使用一個AD7863的參考輸出驅動其他AD7863的參考輸入，確保各通道之間的滿量程跟蹤良好。

八、PCB布局考慮

為實現AD7863的最佳性能，PCB布局至關重要。應采用單獨的模擬接地平面（AGND），涵蓋AD7863的所有接地引腳、電壓參考電路、電源旁路電路、模擬輸入走線以及相關輸入/緩沖放大器。數字信號走線應在常規PCB接地平面（DGND）內。同時，PCB應具有兩個獨立的電源平面，分別用于模擬和數字電路，模擬電源平面應通過鐵氧體磁珠與常規PCB電源平面單點連接。為降低模擬電源平面的噪聲，可使用多個去耦電容器，將(V_{DD})和參考引腳分別去耦到AGND，電容器應盡可能靠近AD7863引腳，以減小引線電感。

九、訂購指南

AD7863有多種型號可供選擇，不同型號在輸入范圍、相對精度、溫度范圍、封裝類型等方面有所差異，用戶可根據實際需求進行選擇。

總之，AD7863憑借其高速、低功耗、高精度等特性，在眾多電子應用中展現出強大的優勢。電子工程師在設計相關系統時，可充分利用其特點，實現更高效、更精確的信號處理。你在使用AD7863或其他類似ADC時，遇到過哪些有趣的問題或挑戰呢？歡迎在評論區分享。