AD7713：一款強大的信號調理 ADC 的深度剖析

引言

在電子設計領域，對于低頻率測量應用而言，一款性能卓越的模擬前端至關重要。AD7713 作為 Analog Devices 推出的一款完整模擬前端，專為低頻率測量應用打造，在工業控制、過程控制等諸多領域發揮著重要作用。本文將對 AD7713 進行全面解析，涵蓋其特性、應用、工作原理以及使用注意事項等方面，希望能為電子工程師們在設計過程中提供有價值的參考。

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一、AD7713 特性亮點

高精度與高性能

AD7713 采用電荷平衡 ADC 技術，實現了 24 位無丟失碼性能，非線性度僅為 0.0015%，能夠提供高精度的測量結果。其 3 通道可編程增益前端，增益范圍從 1 到 128，可靈活適應不同的輸入信號。具備 2 個差分輸入和 1 個單端高電壓輸入，滿足多樣化的輸入需求。

低功耗設計

該器件支持單電源供電，典型功耗僅為 3.5 mW，還具備掉電模式，典型功耗低至 150 μW，非常適合對功耗要求較高的應用場景，如電池供電設備。

靈活的濾波與校準功能

內置低通濾波器，濾波器截止頻率可編程，可根據實際需求調整濾波特性。同時，能夠讀寫校準系數，提供自校準、系統校準和背景校準等多種校準選項，有效消除溫度漂移等誤差，確保測量的準確性。

便捷的通信接口

擁有雙向微控制器串行接口，方便與微處理器、微控制器和數字信號處理器等進行通信，實現數據的傳輸和控制。

二、應用領域廣泛

環路供電（智能）變送器

AD7713 總供電電流小于 1 mA，非常適合環路供電系統。其可編程增益通道可直接接受來自傳感器的輸入信號，減少了大量的信號調理環節，提高了系統的集成度和可靠性。

RTD 傳感器應用

提供兩個匹配的 200 μA 恒流源，可用于 3 線和 4 線 RTD 配置，為 RTD 傳感器提供激勵電流。通過合理的電路設計，能夠有效消除引線電阻誤差，提高測量精度。

過程控制與便攜式工業儀器

在過程控制和便攜式工業儀器中，AD7713 的高精度、低功耗和靈活的配置能力使其成為理想的選擇，能夠滿足對信號測量和處理的嚴格要求。

三、工作原理詳解

信號采集與轉換

AD7713 采用 Σ - Δ 轉換技術，輸入信號通過模擬調制器進行采樣，調制器輸出經過片上數字濾波器處理，最終輸出串行數字字。輸入信號采樣頻率由主時鐘頻率和所選增益決定，通過多次采樣和電容比例縮放實現不同的增益。

數字濾波

數字濾波器采用 sinc3 響應，其截止頻率和第一陷波頻率可通過片上控制寄存器編程。第一陷波頻率范圍為 1.952 Hz 至 205.59 Hz，對應 -3 dB 頻率范圍為 0.52 Hz 至 53.9 Hz。濾波器能夠有效抑制 50 Hz 和 60 Hz 等干擾信號，提高測量的抗干擾能力。

校準機制

AD7713 提供多種校準模式，包括自校準、系統校準和背景校準。自校準通過內部短路輸入和參考電壓進行零點和滿量程校準；系統校準利用系統提供的零刻度和滿刻度電壓進行校準，可補償系統增益和偏移誤差；背景校準則在正常轉換序列中進行連續校準，自動更新校準系數，消除溫度漂移和時間漂移的影響。

四、使用注意事項

時鐘與同步

AD7713 需要主時鐘輸入，可采用外部時鐘或晶體振蕩器。時鐘頻率直接影響輸入采樣頻率、調制器采樣頻率、輸出更新速率和校準時間等參數。多個 AD7713 可通過 SYNC 輸入進行同步，確保輸出寄存器同時更新。

電源與接地

模擬和數字電源獨立引腳，以減少模擬和數字部分之間的耦合。數字電源電壓不得超過模擬電源電壓 0.3 V，建議使用相同的 5 V 電源，并進行單獨的去耦處理。

輸入阻抗與抗混疊

AIN1 和 AIN2 輸入呈現高阻抗動態負載，輸入采樣率決定了模擬輸入電容的充電時間，外部阻抗過大會引入增益誤差，可通過系統校準進行補償。數字濾波器在整數倍調制器采樣頻率處無抑制能力，可在模擬輸入前端添加適當的抗混疊濾波器。

校準與精度

為確保測量精度，應在環境溫度、電源電壓、增益、濾波器陷波或輸入范圍發生變化時進行校準。背景校準模式可自動處理這些變化，但需注意首次輸出結果可能不準確。

五、接口與應用電路

數字接口

AD7713 提供自時鐘模式和外部時鐘模式兩種工作模式，可根據不同的處理器和應用需求進行選擇。自時鐘模式下，AD7713 提供串行時鐘信號；外部時鐘模式下，需外部提供串行時鐘。

典型應用電路

4 線 RTD 配置

利用 RTD 電流源為 RTD 傳感器提供激勵電流，同時利用另一個電流源生成參考電壓，確保模擬輸入電壓跨度與參考電壓成比例，補償 RTD 電流源的溫度漂移誤差。

3 線 RTD 配置

通過第二個 RTD 電流源補償引線電阻誤差，消除因電流流過引線電阻產生的電壓誤差。

4 - 20 mA 環路測量

利用 AD7713 的高電平輸入測量 4 - 20 mA 環路電流，通過系統校準消除 4 mA 電流產生的偏移。

六、總結

AD7713 以其高精度、低功耗、靈活的配置和強大的校準功能，成為低頻率測量應用中的優秀選擇。在實際設計過程中，電子工程師們需要充分考慮時鐘、電源、輸入阻抗和校準等因素，以確保系統的性能和穩定性。同時，合理選擇應用電路和接口模式，能夠充分發揮 AD7713 的優勢，滿足不同應用場景的需求。希望本文能為工程師們在使用 AD7713 時提供有益的指導，你在實際應用中是否遇到過類似的 ADC 器件？它們在性能和使用上有哪些差異呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。