AD4857：8通道同步采样16位数据采集系统的剖析

在电子设计领域，数据采集系统（DAS）是许多应用的核心组件，其性能直接影响整个系统的精度和可靠性。AD4857作为一款功能强大的DAS，凭借其独特的特性和多样的应用场景，在市场上占据了重要的地位。本文将深入剖析AD4857的各项特性、工作原理、应用信息以及寄存器配置，为电子工程师在实际设计中提供全面的参考。

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1. AD4857概述

AD4857是一款全缓冲、8通道同步采样、16位、1 MSPS的数据采集系统，具备差分、宽共模范围输入的特点。它采用5V低压电源、灵活的输入缓冲电源以及精密低漂移的内部参考和参考缓冲器，允许每个通道的SoftSpan范围独立配置，以匹配原生应用信号的摆动，从而减少额外的外部信号调理。

1.1 主要特性

• 完整的16位数据采集系统：能够同时对8个内部缓冲通道进行采样，每个通道的吞吐量可达1 MSPS。
• 差分、宽共模范围输入：在25°C时，典型输入泄漏电流仅为±75 pA，输入信号灵活性高。
• 高动态范围：采用无缝高动态范围（SHDR）技术，在启用时可自动优化通道的输入信号路径增益，在不影响线性度的情况下，最小化每个样本的转换器噪声。
• 低功耗：在1 MSPS的采样率下，每个通道的功耗约为45 mW，且功耗随吞吐量而变化。
• 数字灵活性：支持SPI CMOS（0.9 V至5.25 V）和LVDS串行输入输出，还可选择16位数字平均的过采样功能，以及可选的偏移、增益和相位校正。

1.2 应用场景

AD4857适用于多种领域，包括自动测试设备、航空航天、仪器仪表和控制系统、半导体制造以及测试测量等。

2. 工作原理

2.1 转换器操作

AD4857的工作分为两个阶段：采集阶段和转换阶段。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一个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，最终输出近似于每个通道采样模拟输入的数字代码。

2.2 传输函数

AD4857将每个通道的满量程电压范围数字化为 (2^{16}) 个离散电平。结合ADC主参考电压REFBUF，每个通道的SoftSpan配置决定了其差分输入电压范围、LSB大小和转换结果的二进制格式。转换结果在所有双极性SoftSpan范围中以二进制补码格式输出，在所有单极性SoftSpan范围中以直二进制格式输出。

2.3 SoftSpan

每个通道可以独立配置为16种SoftSpan范围之一，用户可根据所需的差分模拟输入范围选择合适的SoftSpan范围。默认情况下，所有通道均为SoftSpan 15，对应标称的±40 V双极性输入跨度。通过向相应的寄存器地址写入4位SoftSpan代码，即可配置通道的不同范围。

2.4 无缝高动态范围（SHDR）

SHDR是一种专有技术，可在每个样本的基础上提供尽可能低的输入参考转换噪声。当SHDR禁用时，每个通道的SoftSpan范围自动定义一个固定的转换器模拟信号增益，应用于该通道的每个样本。启用SHDR后，转换器根据每个样本的差分电压动态调整模拟信号增益，对于接近所选SoftSpan范围最大值的差分电压，采用与SHDR禁用时相同的增益；对于幅值较低的样本，转换器自动增加增益，从而降低这些样本的输入参考转换噪声，提高动态范围。

2.5 数字处理特性

AD4857支持多种数字数据后处理功能，包括过采样、偏移、增益和相位校正。这些功能可通过控制寄存器进行配置。

• 过采样模式：默认情况下，AD4857工作在非过采样模式。启用过采样模式后，AD4857会对每个通道的多个转换结果进行数字平均，适用于需要更低噪声和更高动态范围的应用。
• 数字偏移校正：每个通道可以独立编程，为每个转换结果添加一个16位有符号数字偏移校正值，用于校正DAS模拟输入上游的固定偏移误差。
• 数字增益校正：每个通道可以独立编程，为每个转换结果应用一个数字增益校正因子，用于校正DAS模拟输入上游的固定增益误差。
• 数字相位校正：在过采样模式下，每个通道可以独立编程，对过采样的数字平均值应用一个数字相位校正项，用于补偿DAS模拟输入上游的相位误差。
• 通道过范围和欠范围限制：每个通道的每个转换结果都会与16位有符号的过范围和欠范围限制进行比较，如果检测到任何超出范围的转换结果，相应的标志位将在CH_OR_STATUS寄存器或CH_UR_STATUS寄存器中设置。

3. 应用信息

3.1 缓冲模拟输入

AD4857的每个通道可以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}+3.2 ~V)) 和 ((V{CC}-3.2 ~V)) 之间。这种特性简化了信号链设计，可接受多种信号摆动，包括传统的模拟输入信号类型。

3.2 模拟输入驱动电路

AD4857的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10 kΩ的传感器、信号调理放大器和滤波器网络可以直接驱动4 pF的模拟输入电容。对于更高阻抗和慢建立电路，可在模拟输入引脚和GND引脚之间添加一个680 pF的电容，以保持AD4857的完整直流精度。

3.3 模拟输入过驱动容限

驱动任何通道的模拟输入大于 (V{CC}) 电源，最大电流可达10 mA，不会影响其他通道的转换结果。而驱动模拟输入小于 (V{EE}) 电源可能会破坏其他通道的转换结果。在 ((V{C C}-V{E E})>44 ~V) 的应用中，建议在每个INx+和INx - 引脚串联一个外部电阻（例如100 Ω至1000 Ω），以限制故障条件下的闩锁电流。

3.4 模拟输入滤波

AD4857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。缓冲DAS输入的模拟带宽为11 MHz，对外部滤波器没有特定的带宽要求。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。

3.5 DAS参考

AD4857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AD4857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，并用外部参考驱动REFIO引脚。

3.6 电源考虑

AD4857需要五个电源： (V{CC}) 和 (VEE) （正负模拟输入缓冲电源）、 (VDD) （5 V核心电源）、 (V{D D H}) （或 (V_{D D L}) ）（1.8 V LDO或1.8 V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。

3.7 时序和控制

AD4857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。转换器状态由BUSY输出指示，BUSY引脚在每次转换开始时从低电平变为高电平，直到转换完成后再变为低电平。

3.8 低功耗模式

AD4857支持多种低功耗模式，包括Nap模式和Power-Down模式。在Nap模式下，部分设备电路关闭，可降低转换之间的功耗。在Power-Down模式下，设备的功耗极低，仅需1.3 mW的典型功耗。

3.9 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处于低功耗待机状态，忽略转换请求。

3.10 复位时序

AD4857可以在不循环电源的情况下执行全局复位，这在从需要将整个系统重置为已知同步状态的系统级事件中恢复时非常有用。

4. 数字接口

4.1 CMOS转换数据输出模式

AD4857支持CMOS和LVDS串行转换数据输出接口，可通过LVDS/CMOS引脚选择。在CMOS转换数据输出模式下，应用程序可以使用1到8条串行数据输出通道，以优化总线宽度和转换数据吞吐量。

4.2 LVDS转换数据输出模式

在LVDS转换数据输出模式下，信息通过正负信号对进行传输，位以差分方式编码。LVDS总线在 (overline{CS}) 信号为低电平时启用，为高电平时禁用并处于高阻状态，允许总线在多个设备之间共享。

4.3 数据包格式

AD4857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，通道和状态数据包的数据格式有所不同。

4.4 SPI寄存器配置总线

SPI寄存器配置总线允许数字主机读取和写入AD4857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。SPI寄存器配置总线支持3线和4线操作，可通过设置相应的寄存器位进行选择。

5. 寄存器配置

AD4857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寄存器配置总线进行访问。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。

6. 总结

AD4857作为一款高性能的数据采集系统，具有多种强大的特性和功能，适用于各种对精度和可靠性要求较高的应用场景。电子工程师在设计过程中，可以根据具体需求灵活配置AD4857的各个参数，充分发挥其优势，提高系统的性能和稳定性。在实际应用中，还需要注意电源管理、信号调理、PCB布局等方面的问题，以确保AD4857能够正常工作。你在使用AD4857的过程中，是否遇到过一些特殊的问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。