探索ADS8515：一款高性能16位采样ADC的深度剖析

在电子工程师的工具箱中，模拟到数字转换器（ADC）是至关重要的组件，它架起了模拟世界和数字世界之间的桥梁。今天，我们将深入探讨德州仪器（TI）的ADS8515，一款16位、250-kSPS采样的CMOS ADC，看看它在各种应用场景中能带来怎样的表现。

文件下载：ads8515.pdf

一、ADS8515的特性亮点

1. 高精度与宽输入范围

ADS8515拥有标准的±10-V输入范围，能够处理较宽的模拟信号幅度。在20-kHz输入时，它的最小信噪比（SNR）可达90 dB，这意味着它能够在嘈杂的环境中准确地捕获信号。积分非线性（INL）最大为±2.0 LSB，微分非线性（DNL）最大为±1 LSB，并且在16位分辨率下没有丢失代码，保证了转换的高精度。

2. 灵活的电源设计

该ADC采用5-V模拟电源供电，而I/O电源电压范围则非常灵活，从1.65 V到5.25 V均可。这种设计使得它能够与不同电平的数字电路兼容，方便系统集成。

3. 引脚兼容性与数据输出

ADS8515与ADS7805/10（低速）以及12位的ADS7804/8504引脚兼容，这为工程师在升级或替换现有设计时提供了便利。它采用全并行数据输出，能够快速地将转换结果传输给微处理器。

4. 低功耗与小封装

在250 kSPS的采样率下，典型功耗仅为100 mW，适合对功耗敏感的应用。并且它采用28引脚的SSOP封装，体积小巧，节省电路板空间。

二、应用领域广泛

ADS8515的高性能使其在多个领域都有出色的表现：

• 工业过程控制：在工业自动化系统中，需要精确地测量和控制各种物理量，如温度、压力、流量等。ADS8515的高精度和高采样率能够满足工业过程控制对实时性和准确性的要求。
• 数据采集系统：无论是科研实验还是工业监测，数据采集系统都需要可靠的ADC来采集模拟信号。ADS8515的宽输入范围和高精度能够确保采集到的数据准确无误。
• 数字信号处理：在数字信号处理领域，需要对模拟信号进行精确的数字化处理。ADS8515的快速转换速度和高精度输出能够为数字信号处理提供高质量的输入数据。
• 医疗设备：医疗设备对信号的采集和处理要求非常高，例如心电图、脑电图等设备。ADS8515的高精度和低功耗特性使其成为医疗设备设计的理想选择。
• 仪器仪表：在各种仪器仪表中，如示波器、万用表等，需要准确地测量和显示信号。ADS8515的高性能能够满足仪器仪表对精度和稳定性的要求。

三、电气特性详解

1. 分辨率与输入特性

ADS8515的分辨率为16位，能够提供较高的量化精度。其模拟输入电压范围为±10 V，输入阻抗为8.885 kΩ，电容为75 pF。这些特性使得它能够适应不同的信号源，并且在信号传输过程中减少失真。

2. 线性度与误差

在INL和DNL方面，ADS8515表现出色，最大INL为±3 LSB（ADS8515I）和±2 LSB（ADS8515IB），最大DNL为±2 LSB（ADS8515I）和±1 LSB（ADS8515IB）。此外，它的过渡噪声较小，满量程误差和双极性零误差也在可接受的范围内。

3. 交流精度

在交流精度方面，ADS8515的无杂散动态范围（SFDR）在20-kHz输入时可达95 dB（ADS8515I）和97 dB（ADS8515IB），总谐波失真（THD）为 -100 dB（ADS8515I）和 -100 dB（ADS8515IB），信号与噪声加失真比（SINAD）为87 dB（ADS8515I）和89 dB（ADS8515IB）。这些指标表明它在处理交流信号时具有良好的性能。

4. 采样动态特性

ADS8515的孔径延迟为5 ns，瞬态响应时间为2 μs，过电压恢复时间为150 ns。这些特性使得它能够快速地响应输入信号的变化，并且在过电压情况下能够迅速恢复正常工作。

5. 参考特性

它可以使用内部或外部参考电压。内部参考电压为4.096 V，典型漂移为8 ppm/°C。外部参考电压范围为3.9 V到4.2 V，能够根据实际需求进行调整。

6. 数字输入输出特性

数字输入逻辑电平范围灵活，低电平输入电压（VL）为 -0.3 V到0.8 V，高电平输入电压（VH）为0.65×VDD到VDD + 0.3 V。数字输出采用二进制补码格式，低电平输出电压（VOL）为0.4 V，高电平输出电压（VOH）为0.8×VDD。

四、基本操作与使用方法

1. 启动转换

通过将 $\overline{CS}$（引脚25）和 $R/C$（引脚24）同时拉低至少40 ns，可以启动一次转换。转换开始后，BUSY（引脚26）会拉低，直到转换完成并更新输出寄存器。

2. 读取数据

当 $R/C$ 为高且 $\overline{CS}$ 为低时，并行输出有效。可以通过BYTE（引脚23）选择读取高8位或低8位数据。转换完成后，BUSY变高，可以用于锁存数据。

3. 并行输出

转换完成后，BUSY变高，此时可以从D15到D0（引脚6到13和15到22）读取有效的转换数据。在转换过程中，也可以读取上一次转换的有效数据，但需要注意时间限制，避免读取到无效数据。

五、输入范围与校准

1. 输入范围

ADS8515提供标准的±10-V输入范围，输入信号必须参考AGND1。其输入电阻分压器网络提供了固有的过电压保护，确保在至少±25 V的过电压情况下不会损坏。

2. 校准

• 硬件校准：可以通过安装电阻和电位器来校准增益，校准范围约为±100 mV。
• 软件校准：也可以使用软件来校准偏移和增益，通过调整软件算法来提高转换精度。

六、参考与布局注意事项

1. 参考

REF（引脚3）可以作为外部参考输入或内部4.096-V参考输出。需要在REF引脚附近连接一个2.2-μF的电容，以减少参考电压的噪声。

2. CAP

CAP（引脚4）是内部参考缓冲器的输出。需要在CAP引脚附近放置一个2.2-μF的电容，以提供最佳的开关电流和补偿内部缓冲器的输出。

3. 布局

• 电源：模拟电源引脚 $(V{ANA})$ 和数字电源引脚 $(V{DIG})$ 可以连接到同一个+5V电源，也可以使用两个不同的电源。需要确保在向模拟输入引脚施加电压之前，模拟和数字电源都已上电。
• 接地：ADS8515有三个接地引脚，DGND为数字电源接地，AGND2为模拟电源接地，AGND1为A/D转换器内部所有模拟信号的参考接地。所有接地引脚应连接到模拟接地平面，并与系统数字逻辑接地分离。
• 信号调理：ADS8515的FET开关释放的电荷注入较少，并且有电阻前端来衰减释放的电荷，因此对前端抗混叠滤波器的要求较低。
• 中间锁存器：如果总线在转换期间需要活动，建议使用中间锁存器。即使A/D转换器处于三态，并行端口上的快速开关信号的瞬态也可能会耦合到模拟电路中，导致转换器性能下降。

七、总结

ADS8515是一款性能卓越的16位采样ADC，具有高精度、宽输入范围、灵活的电源设计、低功耗等优点。它在工业过程控制、数据采集系统、数字信号处理、医疗设备、仪器仪表等多个领域都有广泛的应用前景。在使用过程中，需要注意其电气特性、基本操作、输入范围、校准、参考和布局等方面的问题，以充分发挥其性能优势。你在使用类似ADC时遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。