深入剖析ADC0831-N/ADC0832-N/ADC0834-N/ADC0838-N 8位串行I/O A/D转换器

在电子工程师的日常工作中，A/D转换器是一个非常重要的组件，它负责将模拟信号转换为数字信号，实现模拟世界与数字世界的桥梁搭建。德州仪器（TI）推出的ADC0831-N、ADC0832-N、ADC0834-N和ADC0838-N这一系列8位串行I/O A/D转换器，凭借其独特的特性和广泛的应用场景，成为了许多工程师的首选。今天，我们就来详细剖析一下这一系列转换器。

文件下载：adc0832-n.pdf

一、核心特性与关键参数

1. 性能特性亮点

• 分辨率与误差控制：这一系列产品具有8位的分辨率，能够满足大多数常见应用场景的精度需求。其总未调整误差为±½ LSB和±1 LSB，在单电源5V DC的供电条件下，能够保证转换的相对准确性。
• 低功耗与快速转换：低功耗是它们的一大优势，功耗仅为15 mW，这对于一些对功耗要求较高的应用，如电池供电设备，非常友好。同时，转换时间仅为32 μs，能够快速完成模拟信号到数字信号的转换，提高系统的响应速度。
• 接口灵活性：这些转换器与TI MICROWIRE兼容，可以直接与COPS系列处理器接口，也能轻松与所有微处理器进行接口，甚至可以独立工作。这种灵活性使得它们在不同的系统架构中都能很好地融入。
• 输入范围与参考电压：输入范围为0V到5V，采用单5V电源供电。并且可以采用比例式操作或使用5V DC电压参考，无需进行零位或满量程调整，简化了设计过程。

2. 关键参数一览

参数类型	具体参数	详情
绝对最大额定值	电源电压、逻辑输入电压、模拟输入电压等	如电源电压最大6.5V，输入电流等有相应限制
工作额定值	电源电压范围、温度范围	电源电压4.5 - 6.3 VDC，不同型号有不同温度范围
转换器和多路复用器电气特性	总未调整误差、参考输入电阻等	不同型号有不同的误差范围和电阻值
交流特性	时钟频率、转换时间、时钟占空比等	时钟频率有最小和最大值，转换时间与时钟相关

二、详细功能解析

1. 多路复用器寻址

这一系列转换器采用了独特的输入多路复用方案，提供了2、4或8通道的多路复用选项，并且可以通过软件配置为单端、差分或伪差分输入。这种灵活性大大简化了基于传感器的数据采集系统中所需的模拟信号调理。

• 单端和差分输入配置：在单端输入模式下，每个通道独立进行转换；在差分输入模式下，能够增加共模抑制比，提高抗干扰能力。例如，在ADC0838-N中，其8通道的单端和差分输入模式都有详细的MUX寻址代码表可供参考。
• 通道选择与极性分配：在转换开始前的MUX寻址序列中，可以选择启用哪些模拟输入通道，并确定输入是单端还是差分，以及差分模式下通道的极性。不过，差分输入仅限于相邻的通道对。

2. 数字接口

数字接口是这一系列转换器的重要特性之一。通过串行通信格式，不仅可以在不增加封装尺寸的情况下，在转换器封装中集成更多功能，还能通过将转换器直接放置在模拟传感器处，消除低电平模拟信号的传输，将高度抗噪的数字数据传输回主处理器。

• 转换启动与数据传输：转换通过拉低CS（芯片选择）线启动，该线在整个转换过程中必须保持低电平。处理器生成时钟信号并输出到A/D时钟输入，在时钟的上升沿，数据输入（DI）线的状态被时钟输入到MUX地址移位寄存器。转换完成后，数据输出（DO）线输出转换结果，默认是MSB（最高有效位）先输出，也可以选择LSB（最低有效位）先输出（ADC0831-N除外）。

3. 参考电压考虑

参考电压对于A/D转换器的性能至关重要。这一系列转换器的参考输入电压定义了模拟输入的电压范围，即256种可能输出代码所适用的范围。

• 比例式应用与绝对精度应用：在比例式系统中，模拟输入电压与A/D参考电压成比例，通常可以将VREF引脚连接到VCC。而对于需要绝对精度的应用，参考引脚应连接到时间和温度稳定的电压源，如LM385和LM336参考二极管。
• 参考电压限制：参考电压的最大值受限于VCC电源电压，最小值可以很小，以允许直接转换输出跨度小于5V的传感器输出。但在使用较小跨度时，需要特别注意噪声拾取、电路布局和系统误差电压源。

4. 模拟输入处理

这些转换器的一大优势是可以直接放置在模拟信号源处，通过几根电线与控制处理器进行通信，大大减少了为保持模拟信号精度而需要的电路，降低了噪声拾取的影响。

• 差分输入抗噪：差分输入能够有效降低共模输入噪声的影响。不过，由于模拟输入的采样特性，在实际转换过程中，时钟边缘会有短电流尖峰进入“+”输入并从“-”输入流出。为了避免这些电流对转换结果产生影响，当信号源电阻大于1 kΩ时，不建议使用旁路电容。
• 高阻抗信号源处理：如果需要处理高阻抗信号源，可以使用运算放大器RC有源低通滤波器，它既能提供阻抗缓冲，又能进行噪声滤波。

5. 可选调整

• 零误差调整：A/D的零点通常不需要调整，但如果最小模拟输入电压值不是地，可以通过偏置VIN(-)输入来实现零偏移。零误差是指实际直流输入电压与理想的½ LSB值之间的差异。
• 满量程调整：满量程调整可以通过施加一个比所需模拟满量程电压范围低1 ½ LSB的差分输入电压，然后调整VREF输入（或ADC0832的VCC）的幅度，使数字输出代码从1111 1110变为1111 1111。
• 任意模拟输入电压范围调整：当A/D的模拟零电压偏离地时，需要先正确调整新的零参考，然后进行满量程调整。具体方法是通过施加特定的VIN(+)电压，并调整VREF（或VCC）电压，使输出代码发生相应的变化。

6. 电源设计

ADC0838-N和ADC0834-N具有独特的电源设计，包含一个从V+端子连接到地的齐纳二极管，该二极管通过一个硅二极管连接到VCC端子。

• 齐纳二极管的作用：齐纳二极管可以用作并联电压调节器，消除了对任何额外调节组件的需求，这对于转换器需要远离系统电源的应用非常有用。
• 从时钟获取电源：通过互连二极管，可以将转换器的VCC电源从时钟中获取。由于A/D的低电流要求和相对较高的时钟频率，可以使用小值滤波电容来保持VCC线上的纹波低于¼ LSB。

三、典型应用案例

1. 温度补偿参考应用

在一些对温度敏感的应用中，如温度传感器，使用温度补偿参考可以提高测量的准确性。通过合理配置ADC083x系列转换器的参考电压和输入通道，可以实现对温度变化的有效补偿。

2. 远程传感应用

由于这些转换器可以通过串行通信与控制处理器进行通信，并且具有低功耗和抗噪能力，非常适合用于远程传感应用，如远程温度传感器、远程数据采集等。在这些应用中，转换器可以直接放置在传感器附近，将模拟信号转换为数字信号后再传输回主处理器，减少了模拟信号传输过程中的噪声干扰。

3. 电流数字化应用

在需要对电流进行数字化测量的应用中，如电力监测、电池管理等，可以使用ADC083x系列转换器将电流信号转换为数字信号。通过合理设计输入电路和参考电压，可以实现对不同范围电流的准确测量。

4. 提高分辨率应用

虽然这些转换器本身是8位分辨率，但通过一些特殊的方法，可以实现更高的分辨率，如9位或10位A/D转换。例如，通过控制器确定输入极性或通道对，提供额外的位信息，从而提高整体分辨率。

四、总结与思考

ADC0831-N、ADC0832-N、ADC0834-N和ADC0838-N这一系列8位串行I/O A/D转换器以其丰富的特性、灵活的功能和广泛的应用场景，为电子工程师提供了一个强大的工具。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择型号，并注意参考电压、模拟输入处理、电源设计等方面的问题。同时，我们也可以通过不断探索和尝试，挖掘这些转换器的更多潜力，为我们的电子设计带来更多的可能性。大家在使用这一系列转换器的过程中，有没有遇到过什么特别的问题或者有什么独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。