深入剖析ADS8317：高性能16位模数转换器的卓越之选

在电子工程师的日常设计工作中，模数转换器（ADC）是一个至关重要的组件，它能够将模拟信号转换为数字信号，为后续的数字处理提供基础。今天，我们要深入探讨的是德州仪器（TI）推出的一款16位、高速、微功耗采样模数转换器——ADS8317。

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一、ADS8317的关键特性

高精度与低噪声

ADS8317拥有16位分辨率，且无丢失码，能够在全电源范围内提供精确的转换结果。其极低的噪声水平仅为$5LSB_{PP}$，同时具备出色的线性度，积分非线性（INL）典型值为±0.8LSB，最大值为±1.5LSB；微分非线性（DNL）典型值为+0.7LSB，最大值为+1.25LSB。此外，它的偏移误差最大为±1mV，增益误差典型值为±16LSB，这些特性使得ADS8317在对精度要求极高的应用中表现卓越。

微功耗设计

该转换器采用了微功耗设计，在不同的电源电压和采样率下，功耗表现出色。例如，在5V电源、250kHz采样率时，功耗仅为10mW；在2.7V电源、10kHz采样率时，功耗可低至0.2mW。这种低功耗特性使其非常适合用于电池供电系统，能够有效延长电池的使用寿命。

灵活的接口与封装

ADS8317具备串行（SPI™/SSI）接口，方便与微处理器和其他数字系统进行通信。同时，它提供了MSOP - 8和SON - 8两种封装形式，且与ADS8321引脚兼容，为设计人员提供了更多的选择和灵活性。

二、应用领域广泛

由于其出色的性能特点，ADS8317在多个领域都有广泛的应用：

• 电池供电系统：低功耗特性使其成为电池供电设备的理想选择，如便携式仪器、无线传感器节点等。
• 数据采集系统：可用于远程数据采集、隔离数据采集以及多通道同时采样系统，能够准确地采集和转换模拟信号。
• 工业控制与机器人：在工业自动化和机器人领域，ADS8317可以为控制系统提供高精度的模拟信号转换，确保系统的稳定运行。
• 振动分析：其高精度和低噪声特性使其能够有效地检测和分析振动信号，为设备的故障诊断和维护提供依据。

三、电气特性详解

不同电源电压下的性能

ADS8317支持2.7V至5.5V的电源电压范围。在$V{DD}= + 5V$，$V{REF}= + 2.5V$，$-IN = + 2.5V$，$f{SAMPLE}=250kHz$和$f{CLK}=24×f{SAMPLE}$的条件下，它的输入电阻在采样时为50 - 100GΩ，输入电容为24pF，输入泄漏电流为±50nA。在$V{DD}= + 2.7V$，$V{REF}= + 1.25V$，$-IN = 1.25V$，$f{SAMPLE}=200kHz$和$f{CLK}=24×f{SAMPLE}$的条件下，其各项性能指标也能满足不同应用的需求。

采样动态特性

转换时间（16DCLOCKs）在2.667 - 666.7μs之间，采集时间（4.5DCLOCKs）在$f_{CLK}=6.0MHz$时为0.75μs，吞吐量速率可达250kSPS。这些特性使得ADS8317能够快速、准确地完成模拟信号的转换。

四、工作原理与输入设计

逐次逼近寄存器（SAR）架构

ADS8317采用经典的逐次逼近寄存器（SAR）架构，基于电容重新分配原理，本身包含采样保持功能。它采用0.6μ CMOS工艺制造，能够在每秒高达250,000次转换的同时，从$V_{DD}$获取的功耗小于10mW。

模拟输入方式

模拟输入为双极性全差分输入，有单端和差分两种驱动方式。单端输入时，–IN输入保持固定电压，+IN输入围绕该电压摆动，峰 - 峰幅度为$2×V{REF}$；差分输入时，输入幅度为+IN和–IN输入的差值，每个输入的峰 - 峰幅度为$V{REF}$，但由于输入相位相差180°，差值电压的峰 - 峰幅度为$2×V_{REF}$。在设计时，需要注意驱动+IN和–IN输入的源的输出阻抗匹配，以避免出现偏移误差、增益误差和线性误差。

五、参考输入与噪声处理

参考输入的影响

外部参考电压设置了模拟输入范围，ADS8317的参考电压范围为0.1V至$V_{DD}/2$。随着参考电压的降低，每个数字输出代码的模拟电压权重减小，即最低有效位（LSB）尺寸减小。这会导致A/D转换器固有的任何偏移或增益误差在LSB尺寸方面看起来增大，同时内部噪声对输出代码的潜在误差贡献也会增加。因此，在使用较低参考电压时，需要特别注意提供干净的布局、稳定的电源和低噪声的参考信号。

噪声处理方法

ADS8317本身的过渡噪声极低。可以通过直方图来分析其输出代码的分布，其过渡噪声可通过将测量的代码数除以6来计算，ADS8317的±3σ分布对应的输出代码为5个，过渡噪声小于±0.8LSB。为了实现这种低噪声性能，输入信号和参考的峰 - 峰噪声必须小于50μV。此外，还可以通过平均数字代码来补偿A/D转换器的噪声，对于直流附近的输入信号，平均转换结果可以将过渡噪声降低$1/\sqrt{n}$倍，其中n为平均次数；对于交流信号，可以使用数字滤波器进行低通滤波和抽取，每抽取2倍，信噪比可提高3dB。

六、数字接口与数据格式

信号电平与兼容性

ADS8317的电源电压范围较宽，A/D转换器和数字接口电路能够在2.7V至5.5V的电压下工作，可适应不同的逻辑电平。当电源电压在4.5V至5.5V（5V逻辑电平）时，可直接与其他5V的CMOS集成电路连接；当电源电压在2.7V至3.6V（3V逻辑电平）时，可直接与其他3.3V的LVCMOS集成电路连接。

串行接口通信

通过同步3线串行接口与微处理器和其他数字系统进行通信。DCLOCK信号同步数据传输，每个位在DCLOCK的下降沿传输。下降的CS信号启动转换和数据传输，转换周期的前4.5至5.0个时钟周期用于采样输入信号，第五个DCLOCK下降沿后，$Dout$启用并输出一个低电平，接下来的16个DCLOCK周期输出转换结果，最高有效位在前。转换结果输出后，后续时钟重复输出数据，但最低有效位在前。$D_{OUT}$在最高有效位重复输出后进入三态，新的转换需要将$\overline{CS}$拉高再拉低才能启动。

数据格式

输出数据采用二进制补码格式，对于给定的输入电压，其理想输出代码在表1和图44中有所体现，但实际应用中会受到偏移、增益误差和噪声的影响。

七、功耗优化与设计注意事项

功耗管理

ADS8317的功耗与转换速率成正比，因此要实现最低功耗，首先要找到满足系统要求的最低转换速率。此外，该转换器在转换完成和$\overline{CS}$为高电平时会进入掉电模式。理想情况下，每次转换应尽可能快地完成，最好以6.0MHz的时钟速率进行，这样可以使转换器在掉电模式下停留更长时间，从而降低功耗。需要注意的是，转换完成后进入的掉电模式和$\overline{CS}$为高电平时的完全掉电模式有所不同，$\overline{CS}$为低电平时仅关闭模拟部分，数字部分只有在$\overline{CS}$为高电平时才完全关闭。

短循环技术

可以利用CS信号进行短循环转换，即可以在任何时候终止转换。例如，如果只需要14位的转换结果，在第14位时钟输出后将CS拉高即可终止转换。这种技术可以降低功耗或提高转换速率，尤其适用于监测模拟信号直到满足某些条件的应用场景。

上电复位

ADS8317的偏置电路是自启动的，但上电后可能会有静态电流（$V_{DD}=5V$时约为1.5mA），除非电路进入掉电模式。建议在电源电压达到至少2.4V后进行一次测试转换，以确保设备进入掉电模式。

布局设计

为了获得最佳性能，在ADS8317的电路布局设计中需要格外小心，特别是在参考电压较低和/或转换速率较高的情况下。该转换器在250kHz的转换速率下，每167ns做出一次位决策，因此需要确保数字输出能够及时更新，电容阵列能够正确切换和充电，比较器的输入能够在一个时钟周期内稳定到16位水平。同时，要注意避免电源、参考和接地连接上的尖峰信号对转换结果的影响，可以通过使用旁路电容、低通滤波器等方法来减少这些干扰。此外，ADS8317的GND引脚应连接到干净的接地端，理想情况下应使用模拟接地平面。

八、应用电路示例

图45展示了一个基本数据采集系统的示例。在该系统中，ADS8317的输入范围连接到2.5V或4.096V，通过5Ω电阻和1μF至10μF电容过滤微控制器和电源的噪声。运算放大器和电压参考连接到模拟电源AVDD，以确保系统的稳定运行。

ADS8317以其高精度、低功耗、灵活的接口和广泛的应用领域，成为电子工程师在模数转换设计中的优秀选择。通过深入了解其特性、工作原理和设计注意事项，我们可以更好地发挥该转换器的性能，为各种应用设计出高质量的电路。在实际应用中，你是否遇到过类似模数转换器的设计挑战？你又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。