高精度多通道数据采集利器：AD4691/AD4692 ADC深度解析

在电子设计领域，高精度、多通道的数据采集需求日益增长。AD4691/AD4692作为一款16通道、16位逐次逼近寄存器（SAR）模数转换器（ADC），凭借其卓越的性能和丰富的特性，成为了众多应用场景中的理想选择。今天，我们就来深入了解一下这款ADC的奥秘。

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一、产品概述

AD4691/AD4692专为高密度多通道精密数据采集解决方案而优化，结合了精密性能、Easy Drive特性和灵活的数字处理能力，能够与空间受限的模拟前端（AFE）设计和低功耗数字主机兼容。它有两种封装形式可供选择：32引脚、5mm × 5mm的LFCSP封装和36焊球、2.96mm × 2.96mm的WLCSP封装，工作温度范围为 -40°C至 +125°C。

二、关键特性

（一）Easy Drive特性

传统的多路复用SAR ADC在模拟输入上通常会出现较大的电荷和电压瞬变，需要为每个通道添加高速、低噪声且功耗大的ADC驱动放大器，这会显著增加系统尺寸和功耗。而AD4691/AD4692具备的Easy Drive特性，有效解决了这些问题。

• 模拟输入预充电缓冲器：大幅减少了多路复用SAR ADC典型的输入瞬变，使AD4691/AD4692能够容忍更高阻抗的信号源，而不会影响采样精度，从而可以直接与精密放大器连接，无需高速ADC驱动器。同时，减少的瞬变还允许在RC输入滤波器中使用更低的电容和更高的电阻，降低了前端放大器的不稳定性和功耗。
• 参考输入预充电缓冲器：减少了VREF信号上的瞬变，降低了直接驱动ADC REF输入时对参考电压瞬态响应的要求，还允许ADC在参考源和REF输入之间承受更大的串联电阻，而不影响精度。
• WLCSP封装的内部参考缓冲器：为使用无缓冲、低功耗参考源的应用，或需要外部噪声滤波的参考源，以及多个设备共享公共参考源的应用提供了便利。
• 过压保护钳位：在IN0至IN15和COM上设置了过压保护钳位，降低了持续直流过压事件对设备造成损坏的风险，在输入驱动电路正电源轨大于VREF的系统中，可省去外部钳位二极管。

（二）高性能指标

• 采样率：AD4691的采样率为500kSPS，AD4692则高达1MSPS，能够满足不同应用场景对采样速度的需求。
• 积分非线性（INL）：最大为±0.85 LSB，保证了高精度的转换。
• 无失码：确保了16位的分辨率，提供准确的数字输出。
• 首次转换精度：保证了每次转换的准确性。
• 信噪失真比（SINAD）：典型值为93dB（fIN = 1kHz），提供了良好的信号质量。
• 低功耗：在fS = 1MSPS时功耗为14.6mW，fS = 500kSPS时功耗为7.3mW，适合对功耗敏感的应用。

（三）增强的数字功能

• 每通道平均滤波器：为每个通道提供片上噪声滤波，提高测量分辨率和动态范围。每个通道都有独立的平均滤波器，避免了通道数据的相互覆盖，实现了交错通道采样，提高了多通道测量的准确性。
• 可定制的通道序列器：支持标准和高级两种序列模式。标准序列模式适用于所有通道具有相同采样率和平均比的简单通道序列；高级序列模式则允许完全自定义通道序列，实现每个通道不同的采样率和抽取率。
• 交错通道采样：结合每通道平均滤波器，减少了采样盲区，提高了通道测量的重复性。
• 自主和突发采样模式：允许固件预配置通道采样序列，以最小的数字开销执行转换。突发采样模式还能快速扫描输入通道，为主机SPI留出更多时间来处理结果，降低了ADC的操作开销，使低功耗数字主机能够更多地处于睡眠模式。
• 4线SPI接口：与1.2V和1.8V逻辑兼容，支持可选的循环冗余校验（CRC），确保数据传输的可靠性。

三、工作原理

（一）转换过程

AD4691/AD4692的转换过程包括采集阶段、转换阶段和预充电阶段。

• 采集阶段：多路复用器将活动通道连接到ADC采样电容（CSH），跟踪输入信号，直到转换开始触发信号出现。
• 转换阶段：多路复用器开关打开，采样电容CSH上的输入信号被采样，SAR ADC核心在转换结束后生成相应的16位数字输出。
• 预充电阶段：在转换阶段之后、下一个采集阶段之前，CSH被驱动到下一个要采集通道的电压，大幅减少了采集开始时的电荷和电压瞬变。预充电阶段在转换开始后515ns结束。

（二）通道序列器

通道序列器用于自动扫描用户编程的通道序列，与ADC采样同步。它有标准和高级两种模式：

• 标准序列模式：扫描预编程的一组启用通道，按升序进行，每个启用通道在每个序列迭代中采样一次。
• 高级序列模式：通道序列完全可定制，每个通道的采样率和抽取率可以不同，通过一系列插槽定义通道序列，序列长度可编程为1至128个插槽。

（三）平均滤波器

每个通道都有一个平均滤波器，包括累加器块和除法（右移）块。累加器计算来自相应输入通道的ADC样本的运行总和，除法块将24位总和右移以缩放到16位平均值。支持SPI读取原始24位累加器输出或16位平均输出。

四、应用场景

AD4691/AD4692凭借其高性能和丰富的功能，广泛应用于多个领域：

• 光功率监测：高精度的转换和低噪声性能，能够准确监测光功率的变化。
• 医疗仪器：满足医疗设备对高精度数据采集的要求，确保测量结果的准确性。
• 电子测试和测量：在测试和测量设备中，提供可靠的多通道数据采集。
• 自动化测试设备：快速的采样率和灵活的通道配置，适用于自动化测试系统。
• 电池供电设备：低功耗特性使其成为电池供电设备的理想选择，延长设备的续航时间。

五、使用建议

（一）PCB布局

• 模拟走线和数字走线应物理分离，在同一PCB层的模拟和数字走线之间添加接地填充，避免数字走线跨越模拟走线或AD4691/AD4692设备，除非有接地平面PCB层隔开。
• 在模拟输入和参考输入附近放置外部电容，以减少非线性电压阶跃，提高性能。
• 电压参考输入REF应使用去耦电容，并尽量靠近REF引脚，以降低有效阻抗。
• 电源供应应使用低等效串联电阻（ESR）的陶瓷电容进行去耦，电容应靠近电源引脚，并使用短而宽的走线连接，以减少电源线上的毛刺影响。

（二）配置和操作

• 根据应用需求选择合适的操作模式，如CNV时钟模式、CNV突发模式、SPI突发模式、自主模式或手动模式，并按照相应的配置流程图进行配置。
• 在使用DRDY信号时，正确配置累加器掩码位，避免锁定条件的发生。
• 在进行批量读取ADC数据寄存器时，根据通道的相邻性选择合适的模式，如自动递减模式或直接地址模式，以提高数据读取效率。

六、总结

AD4691/AD4692以其卓越的性能、丰富的特性和灵活的配置，为高精度多通道数据采集提供了一个强大的解决方案。无论是在空间受限的应用中，还是对功耗和性能有严格要求的场景，它都能展现出出色的表现。作为电子工程师，我们可以充分利用其优势，设计出更加高效、可靠的系统。在实际应用中，我们还需要根据具体需求进行合理的配置和优化，以发挥其最大的潜力。你在使用类似ADC的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。