AD7787：低功耗24位Σ-Δ ADC的全面解析

在電子設計領域，高精度、低功耗的模數轉換器（ADC）一直是工程師們追求的目標之一。Analog Devices的AD7787就是這樣一款出色的低功耗2-通道24位Σ-Δ ADC，適用于多種低頻率測量應用。今天，我們就來深入了解一下這款ADC的特性、性能和應用。

文件下載：AD7787.pdf

1. 關鍵特性

1.1 電源與功耗

AD7787的電源電壓范圍為2.5 V至5.25 V，在正常模式下最大電流消耗為75 μA，而在掉電模式下最大僅為1 μA。這種低功耗特性使得它非常適合電池供電的應用，能有效延長設備的續航時間。

1.2 噪聲與分辨率

在9.5 Hz的更新速率下，其RMS噪聲僅為1.1 μV，具有19.5位峰 - 峰值分辨率（22位有效分辨率），積分非線性典型值為3.5 ppm。同時，它還能同時抑制50 Hz和60 Hz的干擾，保證了測量的準確性。

1.3 其他特性

內部時鐘振蕩器省去了外部時鐘源的需求，軌到軌輸入緩沖器可適應不同的輸入信號，還有VDD監測通道可實時監測電源電壓。其工作溫度范圍為 - 40°C至 + 105°C，采用10引腳MSOP封裝，體積小巧。

2. 技術規格

2.1 電氣參數

在不同的測試條件下，AD7787展現出了出色的性能。例如，ADC通道的輸出更新速率范圍為9.5 Hz至120 Hz，無失碼分辨率達到24位。在9.5 Hz更新速率下，輸出噪聲為1.1 μV，積分非線性典型值為3.5 ppm。

2.2 輸入輸出范圍

模擬輸入的單極性電壓范圍為0至REFIN，絕對輸入電壓限制在GND - 100 mV至VDD + 30 mV之間。參考輸入電壓范圍為0.1 V至VDD，平均參考輸入電流為0.5 μA。

2.3 時序特性

在時序方面，SCLK的高脈沖寬度和低脈沖寬度最小值均為100 ns。不同電源電壓下，CS下降沿到DOUT/RDY有效時間、SCLK有效沿到數據有效延遲等參數有所不同。

3. 引腳配置與功能

3.1 引腳配置

AD7787共有10個引腳，包括SCLK（串行時鐘輸入）、CS（芯片選擇輸入）、AIN1(+)和AIN1(-)（差分模擬輸入）、REFIN（參考輸入）、AIN2（單端模擬輸入）、GND（接地）、VDD（電源電壓）、DOUT/RDY（串行數據輸出/數據就緒輸出）和DIN（串行數據輸入）。

3.2 功能描述

SCLK用于數據傳輸的時鐘同步，CS用于選擇芯片，DOUT/RDY不僅作為數據輸出引腳，還能指示轉換完成。不同引腳的組合和操作可以實現對ADC的配置和數據讀取。

4. 內部寄存器

4.1 通信寄存器

這是一個8位只寫寄存器，所有與芯片的通信都必須從對它的寫操作開始。通過設置不同的位，可以確定后續操作是讀還是寫，以及操作的目標寄存器。

4.2 狀態寄存器

8位只讀寄存器，可用于獲取ADC的狀態信息，如轉換是否完成（RDY位）、是否有錯誤發生（ERR位）等。

4.3 模式寄存器

用于配置ADC的工作模式，如連續轉換模式、單轉換模式或掉電模式，還能設置單極性或雙極性模式、啟用或禁用緩沖器等。

4.4 濾波器寄存器

可設置輸出字速率，通過CDIV1和CDIV0位可以進入低功耗模式，降低時鐘頻率從而減少電流消耗。

4.5 數據寄存器

用于存儲ADC的轉換結果，是只讀寄存器。

5. 噪聲性能與低功耗模式

5.1 噪聲性能

AD7787的輸出噪聲主要來自半導體器件的電氣噪聲和量化噪聲。不同的更新速率和輸入范圍會影響其噪聲性能和分辨率。例如，在9.5 Hz更新速率下，峰 - 峰值分辨率為19.5位，有效分辨率為22位。

5.2 低功耗模式

通過設置濾波器寄存器中的CDIV1和CDIV0位，可以將內部時鐘頻率除以2、4或8，從而降低電流消耗。但在低功耗模式下，ADC的性能可能會有一定程度的下降。

6. 數字接口

6.1 接口信號

AD7787的串行接口由CS、DIN、SCLK和DOUT/RDY四個信號組成。通過這些信號，可以實現對內部寄存器的讀寫操作。

6.2 工作模式

支持單轉換模式、連續轉換模式和連續讀取模式。在單轉換模式下，ADC在轉換之間進入關機模式；連續轉換模式是默認上電模式，ADC會持續進行轉換；連續讀取模式可以自動將轉換結果放置在DOUT/RDY線上，提高數據讀取效率。

7. 電路設計要點

7.1 模擬輸入通道

AD7787有兩個模擬輸入通道，可在緩沖或非緩沖模式下工作。緩沖模式下，輸入能容忍較大的源阻抗；非緩沖模式下，模擬輸入電流會增大，且需要注意外部電阻/電容組合對增益誤差的影響。

7.2 單極性/雙極性配置

可以通過編程模式寄存器中的U/B位來選擇單極性或雙極性輸入電壓范圍，以適應不同的應用需求。

7.3 參考輸入

參考輸入電壓范圍為0.1 V至VDD，推薦使用低噪聲的參考電壓源，如ADR381和ADR391。同時，要注意參考輸入的高阻抗動態負載特性，避免引入直流增益誤差。

7.4 VDD監測

AD7787可以監測VDD引腳的電壓，通過設置通信寄存器中的CH1和CH0位，將VDD電壓內部衰減5倍后進行模數轉換，方便監測電源電壓的變化。

7.5 接地與布局

為了保證AD7787的高性能，在電路板設計時要將模擬和數字部分分開，采用最小蝕刻技術設計接地平面，確保電流回流路徑最短，避免數字電流流經模擬接地部分。同時，要做好電源去耦和信號屏蔽，減少噪聲干擾。

8. 應用案例

8.1 電池監測

在電池監測應用中，AD7787可以直接連接到分流電阻測量電池電流，通過外部電阻網絡衰減后測量電池電壓。其內部緩沖器可以直接連接高阻抗衰減電路，避免引入增益誤差。

8.2 其他應用

還適用于智能變送器、便攜式儀器、傳感器測量、溫度測量、壓力測量、稱重秤和4至20 mA環路等多種應用場景。

總之，AD7787以其低功耗、高精度和豐富的功能，為電子工程師在低頻率測量應用中提供了一個優秀的選擇。在實際設計中，我們需要根據具體的應用需求，合理配置其內部寄存器，注意電路設計和布局要點，以充分發揮其性能優勢。你在使用AD7787或類似ADC時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。