AD4851：高性能4通道同步采样16位250kSPS数据采集系统

在电子设计领域，数据采集系统（DAS）的性能直接影响着整个系统的精度和可靠性。AD4851作为一款功能强大的DAS，为工程师们提供了出色的解决方案。今天，我们就来深入了解一下AD4851的特点、工作原理以及应用注意事项。

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一、AD4851概述

AD4851是一款全缓冲、4通道同步采样、16位、250kSPS的数据采集系统，具备差分、宽共模范围输入。它采用5V低电压供电，配合灵活的输入缓冲电源，使用精密低漂移内部参考和参考缓冲器，能够独立配置每个通道的SoftSpan范围，以匹配应用信号的摆动，从而最大限度地减少额外的外部信号调理。

二、关键特性

1. 高精度与高动态范围

• 分辨率与线性度：AD4851具有16位分辨率，积分非线性（INL）误差典型值为±160μV（±40V范围），无漏码现象，确保了高精度的数据采集。
• 动态范围：单转换动态范围可达98.1dB（±40V范围），信噪比（SNR）典型值为94.6dB（±40V范围），总谐波失真（THD）典型值为 - 117dB（±40V范围），为信号处理提供了良好的基础。
• 无缝高动态范围（SHDR）技术：这是AD4851的一大亮点。启用SHDR后，通道的输入信号路径增益会在每个采样基础上自动优化，在不影响线性度的情况下，将每个采样的转换器噪声降至最低，最多可使单转换动态范围提高4.4dB。

2. 灵活的输入配置

• SoftSpan范围：每个通道可以独立配置16种SoftSpan范围，包括双极性和单极性，如±40V、±25V、±20V等多种选择，以适应不同的应用需求。
• 宽共模输入范围：输入共模范围为((V{EE}+3.2V))至((V{CC}-3.2V))，且具有120dB的共模抑制比（CMRR），允许输入信号任意摆动，简化了信号链设计。

3. 低功耗设计

每个通道在250kSPS采样率下功耗仅为36mW，还支持可选的休眠和掉电模式，可在非活动期间进一步降低功耗。

4. 数字处理功能

• 16位过采样：可选的16位过采样功能可进一步提高SNR和动态范围，适用于对噪声要求较低的应用。
• 偏移、增益和相位校正：每个通道可独立进行偏移、增益和相位调整，能够校正系统级误差。

5. 数字接口灵活性

支持SPI寄存器配置总线（0.9V至5.25V），并通过LVDS/CMOS引脚可选择LVDS和CMOS转换数据输出总线。在CMOS模式下，可使用1至4条数据线输出，优化总线宽度和吞吐量。

三、工作原理

1. 转换操作

AD4851的工作分为采集和转换两个阶段。在采集阶段，每个通道的采样保持电路中的采样电容连接到各自的模拟输入缓冲器，跟踪差分输入电压。当CNV引脚出现上升沿时，所有采样保持电路从跟踪模式转换到保持模式，同时对所有通道的输入信号进行采样并启动转换。在转换阶段，每个通道的采样电容连接到16位电荷再分配电容数模转换器（CDAC），通过逐次逼近算法将采样的输入电压与通道SoftSpan满量程范围的二进制加权分数进行比较，最终输出近似的数字代码。

2. 传输函数

AD4851将每个通道的满量程电压范围数字化为(2^{16})个离散电平。根据SoftSpan配置，确定每个通道的差分输入电压范围、LSB大小和转换结果的二进制格式。双极性SoftSpan范围的转换结果以二进制补码格式输出，单极性SoftSpan范围则以直二进制格式输出。

四、应用信息

1. 缓冲模拟输入

AD4851的每个通道能够在宽共模输入范围内同时采样其模拟输入引脚之间的电压差，高CMRR可衰减两个输入共有的不需要的信号。宽共模输入范围和高CMRR使得INx+和INx - 模拟输入可以任意摆动，只要每个引脚保持在((V{EE}+3.2V))和((V{CC}-3.2V))之间。此外，缓冲器(VCC)和(VEE)电源的宽工作范围提供了更大的输入共模灵活性，可根据应用需求调整绝对输入范围。

2. 模拟输入驱动电路

缓冲输入级对采样过程具有高度的瞬态隔离能力。大多数阻抗小于10kΩ的传感器、信号调理放大器和滤波网络可以直接驱动4pF的模拟输入电容。对于更高阻抗和缓慢稳定的电路，可在模拟输入引脚和GND引脚之间添加680pF电容，以保持AD4851的全直流精度。

3. 模拟输入过驱动容忍度

在任何通道上驱动模拟输入大于(V{CC})电源至10mA不会影响其他通道的转换结果，但驱动模拟输入小于(VEE)电源可能会损坏其他通道的转换结果。在((V{CC}-V_{EE})>44V)的应用中，建议在每个INx+和INx - 引脚串联一个外部电阻（如100Ω至1000Ω），以在故障条件下将闩锁电流限制在±10mA以下。

4. 模拟输入滤波

AD4851的真高阻抗模拟输入可以适应各种无源或有源信号调理滤波器。其缓冲DAS输入具有11MHz的模拟带宽，对外部滤波器没有特定的带宽要求，因此可以独立优化外部输入滤波器，以降低信号链噪声和干扰。常见的滤波器配置是简单的抗混叠和降噪RC滤波器，其极点位于采样频率的一半。

5. DAS参考

AD4851支持三种参考配置：内部带隙参考和参考缓冲器、外部参考和内部参考缓冲器、外部参考和外部参考缓冲器。大多数应用采用内部带隙参考和参考缓冲器，这是AD4851的默认配置。对于需要更好初始精度和/或更低参考温度漂移的应用，可以禁用内部带隙参考，用外部参考驱动REFIO引脚。

6. 电源考虑

AD4851需要五个电源：(V{CC})和(VEE)（正负模拟输入缓冲电源）、(VDD)（5V核心电源）、(V{DDH})（或(V_{DDL})）（1.8V LDO或1.8V核心电源）、(VIO)（数字输入和输出电源）。所有五个电源都有内部旁路电容，不需要额外的外部旁路。

7. 时序和控制

AD4851的采样和转换由CNV引脚控制。CNV引脚的上升沿将所有通道的采样保持电路从跟踪模式转换到保持模式，同时对所有通道的输入信号进行采样并启动转换。转换状态由BUSY输出指示，BUSY在每次转换开始时从低电平变为高电平，直到转换完成。

8. 休眠模式和掉电模式

• 休眠模式：转换完成后，可将AD4851置于休眠模式，以降低转换之间的功耗。在该模式下，部分设备电路关闭，包括与采样模拟输入信号相关的电路。
• 掉电模式：当PD引脚置高或设备配置寄存器中的PWR_MODE位设置为0x3时，AD4851进入掉电模式，后续的转换请求将被忽略。掉电模式下，AD4851仅消耗少量待机电流，典型功耗为1.3mW。

9. 通道睡眠

每个通道可以独立进入睡眠模式，以降低功耗。睡眠模式下，通道的输入缓冲器和ADC进入低功耗待机状态，转换请求将被忽略。

10. 复位时序

AD4851可以在不循环电源的情况下执行全局复位，相当于POR事件。这在从需要将整个系统重置到已知同步状态的系统级事件中恢复时非常有用。

五、数字接口

1. CMOS转换数据输出模式

在CMOS转换数据输出模式下，串行CMOS转换数据输出总线由一个串行时钟输入（SCKI）、一个串行时钟输出（SCKO）和四个串行数据输出通道（SDO0至SDO3）组成。通信在预定义的数据事务窗口内进行，设备输出包含转换或过采样结果、可选通道配置和设备状态信息的用户可配置数据包。

2. LVDS转换数据输出模式

LVDS转换数据输出模式使用正负极性信号对进行信息传输，位采用差分编码。串行LVDS转换数据输出总线由差分串行时钟输入对（SCKI+和SCKI - ）、差分串行时钟输出对（SCKO+和SCKO - ）和差分串行数据输出对（SDO+和SDO - ）组成。

3. 数据包格式

AD4851提供两种用户可选的数据包大小：16位和24位。数据包数据格式取决于数据包大小、过采样模式和测试模式配置。在非过采样模式、过采样模式和测试模式下，分别有不同的数据包格式可供选择。

4. SPI寄存器配置总线

SPI寄存器配置总线允许数字主机读写AD4851的内存映射寄存器。该总线独立于CMOS或LVDS转换数据输出总线。设备上电或全局复位后，SPI寄存器配置总线默认为3线操作，可通过设置SPI配置A寄存器中的CSDO_EN位为1来启用4线操作。

六、寄存器配置

AD4851具有可编程的用户寄存器，用于配置设备和监控其状态。这些寄存器可以通过SPI寄存器配置总线访问。寄存器包括SPI配置寄存器、设备配置寄存器、通道配置寄存器等，每个寄存器都有特定的功能和位描述。

七、总结

AD4851以其高精度、高动态范围、灵活的输入配置、低功耗和丰富的数字处理功能，成为了数据采集系统领域的佼佼者。无论是自动测试设备、航空航天、仪器仪表和控制系统，还是半导体制造、测试和测量等应用场景，AD4851都能提供可靠的解决方案。作为电子工程师，在设计数据采集系统时，AD4851无疑是一个值得考虑的选择。你在实际应用中是否使用过类似的数据采集系统呢？遇到过哪些问题？欢迎在评论区分享你的经验和见解。