深入解析AD7323：高性能4通道12位ADC的特性、原理与应用

在电子工程师的日常工作中，模拟 - 数字转换器（ADC）是极为关键的器件，它是连接模拟世界和数字系统的桥梁。今天我们要详细探讨的是一款高性能的ADC——AD7323，它在众多应用场景中都能展现出卓越的性能。

文件下载：AD7323.pdf

一、AD7323概述

AD7323是一款采用iCMOS™（工业CMOS）工艺设计的4通道、12位加符号逐次逼近型模拟 - 数字转换器。iCMOS工艺融合了高电压硅、亚微米CMOS和互补双极技术，使得AD7323具备了诸多出色的特性。

（一）关键特性

1. 输入范围灵活：能够接受真正的双极性模拟输入信号，支持 ±10 V、±5 V、±2.5 V的双极性输入范围，以及0 V至 +10 V的单极性信号。每个模拟输入通道都可以通过软件独立编程，选择这四种输入范围之一。
2. 输入配置多样：四个模拟输入通道可以配置为四种单端输入、两对真正的差分输入、两个伪差分输入或三个伪差分输入。
3. 高速接口：拥有高达500 kSPS的高速串行接口，并且与SPI - /QSPI™ - /DSP - /MICROWIRE™ 兼容。
4. 低功耗设计：在最大吞吐量为500 kSPS时，功耗仅为18 mW，有效降低了系统的能耗。
5. 通道序列器：具备通道序列器功能，方便对多个通道进行自动循环转换。

（二）性能参数对比

与其他类似器件相比，AD7323在吞吐量、通道数等方面有其独特的定位。例如，AD7329和AD7328的吞吐量为1000 kSPS，但通道数为8；而AD7323的吞吐量为500 kSPS，通道数为4。在实际应用中，我们需要根据具体需求来选择合适的器件。

二、工作原理

（一）电路结构与电源要求

AD7323需要VDD和VSS双电源来为高电压模拟输入结构供电，这两个电源必须等于或大于所选的最大模拟输入范围。同时，它还需要一个2.7 V至5.25 V的低电压VCC电源来为ADC核心供电。不同的模拟输入范围对电源的要求也有所不同，具体可参考文档中的表格。

（二）转换操作

AD7323是一个基于两个电容式DAC的逐次逼近型ADC。在转换过程中，它通过控制逻辑和电荷重新分配DAC来调整电容式DAC上的电荷量，使比较器达到平衡状态，从而完成转换。转换分为采集和转换两个阶段，在单端和差分模式下的工作原理有所不同。在单端模式下，采样电容阵列在采集阶段获取输入信号，转换阶段通过调整电荷使比较器重新平衡；在差分模式下，需要注意输入源的输出阻抗匹配，以避免误差。

（三）输出编码与传输函数

AD7323的默认输出编码为二进制补码，但可以通过控制寄存器中的编码位进行修改。不同的输入范围对应不同的LSB（最低有效位）大小，这决定了转换的分辨率。当选择二进制补码或直二进制编码时，AD7323具有不同的理想传输特性。

（四）模拟输入结构

AD7323的模拟输入可以配置为单端、真正差分或伪差分模式。在单端模式下，每个模拟输入可以独立编程选择输入范围；在真正差分模式下，差分信号具有更好的抗噪声能力和更低的失真性能；伪差分输入则可以分离模拟输入信号的接地与ADC的接地，消除直流共模电压。

（五）跟踪与保持部分

AD7323的模拟输入跟踪 - 保持部分允许ADC将全幅度输入正弦波准确转换为13位精度。输入带宽大于ADC的奈奎斯特速率，能够处理高达22 MHz的频率。跟踪 - 保持在(14^{th}) SCLK上升沿进入跟踪模式，获取输入信号所需的时间取决于采样电容的充电速度。随着VDD和VSS电源电压的降低，输入多路复用器的导通电阻会增加，因此需要增加获取时间并降低整体吞吐量。

三、寄存器配置

AD7323有三个可编程寄存器：控制寄存器、序列寄存器和范围寄存器，这些寄存器都是只写寄存器。

（一）寄存器寻址

串行传输由16个SCLK周期组成，DIN线上的前三位用于解码确定要寻址的寄存器。通过不同的位组合，可以选择控制寄存器、序列寄存器或范围寄存器。

（二）控制寄存器

控制寄存器用于选择模拟输入通道、输入配置、参考源、编码方式和功率模式。通过设置不同的位，可以实现多种功能，如选择输入通道、配置输入模式、启用或禁用内部参考等。

（三）序列寄存器

序列寄存器是一个4位的只写寄存器，用于选择要包含在序列中的模拟输入通道。通过设置相应的位，可以指定哪些通道将按顺序进行转换。

（四）范围寄存器

范围寄存器是一个8位的只写寄存器，用于为每个模拟输入通道选择一个模拟输入范围。通过设置不同的位组合，可以选择 ±10 V、±5 V、±2.5 V或0 V至 +10 V的输入范围。

（五）序列器操作

AD7323可以通过序列寄存器和控制寄存器中的Seq1和Seq2位配置为自动循环转换选定的通道。可以选择特定的通道序列进行转换，也可以配置为连续转换从通道0到指定最终通道的序列。在操作过程中，如果需要更改范围寄存器，需要先停止序列转换，修改后再重新启动。

四、参考源与VDRIVE

（一）参考源

AD7323可以使用内部2.5 V参考源或外部参考源。内部参考源由2.5 V带隙参考和参考缓冲器组成，在使用内部参考模式时，REFIN/OUT引脚可提供2.5 V参考电压，需要使用680 nF电容进行去耦。在选择3 V参考源时，输入范围会相应改变，同时需要确保VDD和VSS电源满足要求。

（二）VDRIVE

VDRIVE功能允许控制串行接口的工作电压，使AD7323能够轻松与3 V和5 V处理器接口。例如，当AD7323的VCC为5 V时，VDRIVE引脚可以由3 V电源供电，从而实现大双极性输入信号与低电压数字处理的结合。

五、工作模式

（一）正常模式（PM1 = PM0 = 0）

在正常模式下，AD7323的所有内部电路都处于完全上电状态，适用于需要最快吞吐量的应用。转换在(overline{CS})下降沿启动，需要16个SCLK周期完成。转换结束后，(overline{CS})可以保持高电平或低电平，直到下一次转换。

（二）完全关机模式（PM1 = PM0 = 1）

在完全关机模式下，AD7323的所有内部电路都被断电，但寄存器中的信息会被保留。通过设置控制寄存器中的PM1和PM0位为1，可以使器件进入该模式；设置为0则可以退出该模式，但需要等待tPOWER - UP时间，以确保器件完全上电。

（三）自动关机模式（PM1 = 1，PM0 = 0）

选择自动关机模式后，AD7323会在(15^{th}) SCLK上升沿自动进入关机状态，所有内部电路断电，但寄存器信息保留。在(overline{CS})上升沿，器件开始上电，电源启动时间为500 µs。

（四）自动待机模式（PM1 = 0，PM0 = 1）

在自动待机模式下，部分电路断电，但片上参考源保持上电状态。该模式与自动关机模式类似，但上电速度更快，允许更高的吞吐量。器件在(15^{th}) SCLK上升沿进入待机状态，在(overline{CS})上升沿开始上电，上电时间为750 ns。

六、功耗与吞吐量关系

AD7323的功耗随吞吐量的变化而变化。静态功耗非常低，随着吞吐量的降低，可以实现显著的功耗节省。从不同VCC电压下的功耗与吞吐量关系图可以看出，降低采样频率可以大大降低AD7323的平均功耗。

七、串行接口与微处理器接口

（一）串行接口

AD7323的串行接口通过SCLK引脚提供转换时钟，并控制转换过程中信息的传输。(overline{CS})信号启动数据传输和转换过程，转换需要16个SCLK周期完成。数据在SCLK下降沿时钟进入和输出，DOUT线上的数据包括零位、两个通道标识符位、符号位和12位转换结果。

（二）微处理器接口

AD7323的串行接口允许它直接连接到各种不同的微处理器。文档中介绍了与ADSP - 21xx和ADSP - BF53x的接口方法。与ADSP - 21xx接口时，需要对SPORT0控制寄存器进行特定设置；与ADSP - BF53x接口时，需要对SPORT0接收配置1寄存器进行设置。

八、应用提示

（一）布局与接地

在设计印刷电路板时，应将模拟和数字部分分开布局，使用独立的接地平面。所有AGND引脚应连接到AGND平面，数字和模拟接地引脚应仅在一处连接。应避免数字线路在AD7323下方布线，以减少噪声耦合。同时，要确保电源和接地平面的良好连接，使用大尺寸的走线，避免数字和模拟信号交叉。

（二）电源配置

建议在AD7323的VDD和VSS电源信号中串联肖特基二极管。在使用非对称VDD和VSS电源时，需要遵循特定的供应范围要求。对于0 V至4 × VREF范围，VSS可以根据最小供应建议连接到AGND。

九、总结

AD7323是一款功能强大、性能优异的ADC，具有灵活的输入范围、多样的配置选项、低功耗和高速接口等优点。通过合理配置寄存器和选择合适的工作模式，我们可以在不同的应用场景中充分发挥其优势。在实际设计中，我们还需要注意布局、接地和电源配置等方面的问题，以确保系统的稳定性和性能。希望本文对电子工程师们在使用AD7323进行设计时有所帮助，你在实际应用中遇到过哪些与AD7323相关的问题呢？欢迎在评论区分享。