深入解析MAX115/MAX116：2x4通道同步采样12位ADC

在电子设计领域，模数转换器（ADC）是连接模拟世界和数字世界的关键桥梁。今天，我们要深入探讨的是Maxim公司的MAX115/MAX116，这两款2x4通道同步采样12位ADC在众多应用场景中展现出了卓越的性能。

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一、产品概述

MAX115/MAX116是高速、多通道、12位数据采集系统（DAS），具备同步采样保持（T/H）功能。它们集成了12位、2µs的逐次逼近型模数转换器（ADC）、+2.5V参考电压、缓冲参考输入以及一组四个同步采样T/H放大器，能有效保留采样输入的相对相位信息。每个T/H有两个多路复用输入，总共提供八个输入通道。此外，转换器具有±17V的过压耐受性，任何通道的故障都不会损坏IC。MAX115的输入范围为±5V，MAX116为±2.5V。其并行接口的数据访问和总线释放时序规范与大多数流行的数字信号处理器和16位/32位微处理器兼容，无需等待状态即可访问转换结果。

二、应用场景

MAX115/MAX116的应用十分广泛，主要包括以下几个方面：

1. 多相电机控制：在矢量电机控制中，需要监测各个相电流。MAX115/MAX116可以同时采样两个电流（如CH1A和CH2A），并保留必要的相对相位信息。通过坐标变换，只需数字化两个相电流，就可以数学推导得出第三个相电流。同时，还可以通过测量两个相电压（CH3A、CH4A）获取电压（位置）反馈，并且可以利用额外的通道评估其他模拟输入，如主直流母线电压、温度传感器等。
2. 电网同步：在电网系统中，需要精确测量电压和电流的相位和幅值，以实现电网的稳定运行。MAX115/MAX116的同步采样功能和高精度转换能力，可以满足电网同步对数据采集的要求。
3. 功率因数监测：通过对电压和电流的同步采样和分析，可以准确计算功率因数，为电力系统的节能和优化提供数据支持。
4. 数字信号处理：在数字信号处理系统中，需要对模拟信号进行高速、高精度的采样和转换。MAX115/MAX116的高速转换和多通道同步采样能力，可以为数字信号处理提供高质量的输入数据。
5. 振动和波形分析：对于振动和波形分析，需要快速、准确地采集信号的波形信息。MAX115/MAX116的高速采样和高分辨率转换，可以满足振动和波形分析对数据采集的要求。

三、产品特性

3.1 同步采样T/H放大器

MAX115/MAX116拥有四个同步采样T/H放大器，每个T/H有两个多路复用输入，总共提供八个单端输入。这种设计允许同时采样多个信号，并保留它们的相对相位信息，对于需要精确测量多个信号之间相位关系的应用非常有用。

3.2 高速转换

每个通道的转换时间为2µs，吞吐量根据通道数量的不同而有所变化。在单通道模式下，吞吐量可达390ksps；双通道模式下为218ksps；三通道模式下为152ksps；四通道模式下为116ksps。这种高速转换能力使得MAX115/MAX116能够处理快速变化的信号。

3.3 宽输入范围

MAX115的输入范围为±5V，MAX116为±2.5V，可以满足不同应用场景对输入信号范围的要求。同时，输入保护结构允许输入电压达到±17V而不会损坏IC，提高了产品的可靠性。

3.4 故障保护

输入多路复用器具有±17V的过压保护功能，任何通道的故障都不会损坏IC，增强了产品在恶劣环境下的稳定性。

3.5 内部参考或外部参考

可以选择使用内部+2.5V参考电压或外部参考电压。内部参考使用方便，外部参考则可以在宽温度范围内提供更高的精度。

3.6 可编程片上序列器

内部微序列器可以编程为每次转换一个、两个、三个或四个通道，提供了灵活的配置选项。

3.7 高速并行DSP接口

并行接口的数据访问和总线释放时序规范与大多数流行的数字信号处理器和16位/32位微处理器兼容，方便与其他数字系统集成。

3.8 内部时钟

内部时钟频率为10MHz（典型值），也可以使用外部时钟，时钟输入的占空比要求在30%到70%之间。

四、电气特性

4.1 直流精度

• 分辨率：所有通道的分辨率为12位，能够提供较高的测量精度。
• 积分非线性（INL）：典型值为0.6 LSB，最大值为±1 LSB，反映了模拟值与理论值的偏差。
• 差分非线性（DNL）：典型值为0.6 LSB，最大值为±1 LSB，体现了相邻代码之间的差异。
• 双极性零误差：在不同温度范围内，MAX115和MAX116的双极性零误差有所不同，例如在TA = +25°C时，MAX115的双极性零误差为±5mV，MAX116为±5mV。
• 增益误差：同样在不同温度下，MAX115和MAX116的增益误差也有相应的规定，如在TA = +25°C时，MAX115的增益误差为±5mV，MAX116为±5mV。

4.2 动态性能

• 信噪比（SNR）：在fCLK = 16MHz，fIN = 10.06kHz的条件下，典型值为69dB，反映了信号与噪声的比例关系。
• 总谐波失真（THD）：典型值小于 -80dB，体现了信号的失真程度。
• 无杂散动态范围（SFDR）：典型值为80dB，衡量了信号中杂散信号的强度。
• 通道间隔离度：典型值为80dB，表明不同通道之间的干扰程度较小。

4.3 模拟输入特性

• 输入电压范围：MAX115为±5V，MAX116为±2.5V。
• 输入电流：MAX115在 -5V至 +5V范围内的输入电流为±625µA，MAX116在 -2.5V至 +2.5V范围内的输入电流为±15µA。
• 输入电容：为16pF。

4.4 跟踪/保持特性

• 采集时间：为600ns，确保能够快速准确地采集输入信号。
• 小信号带宽：为10MHz，能够处理较高频率的信号。
• 全功率带宽：为1.3MHz。
• 下降率：为2mV/ms。
• 孔径延迟：典型值为10ns。
• 孔径抖动：为30ps。
• 孔径延迟匹配：为500ps，保证了多个通道之间的同步性。

4.5 参考输出特性

• 输出电压：在TA = +25°C时，典型值为2.5V，范围为2.462V至2.532V。
• 外部负载调节：在0 < IREF < 1mA的条件下，为0.5mV/mA。
• REFOUT温度系数：为30ppm/°C。
• 外部电容旁路：REFIN处需要0.1µF的电容，REFOUT处需要4.7 - 22µF的电容。

4.6 参考输入特性

• 输入电压范围：为2.40V至2.60V。
• 输入电流：为±50µA。
• 输入电阻：为10kΩ。
• 输入电容：为10pF。

4.7 时钟特性

• 外部时钟频率：为16MHz。
• 内部时钟频率：范围为5.6MHz至14.8MHz，典型值为10MHz。

4.8 数字输入输出特性

• 数字输入：输入高电压VIH为2.4V，输入低电压VIL为0.8V，输入电流IIN为±10µA，输入电容CIN为15pF。
• 数字输出：输出高电压VOH在lOUT = 1mA时为4V，输出低电压VOL在loUT = -1.6mA时为0.4V，三态泄漏电流为±10µA，三态输出电容为10pF。

4.9 电源要求

• 正电源电压：AVDD范围为4.75V至5.25V。
• 负电源电压：AVSS范围为 -5.25V至 -4.75V。
• 数字电源电压：DVDD范围为4.75V至5.25V。
• 正电源电流：IAVDD典型值为17mA，最大值为25mA。
• 负电源电流：IAVSS典型值为 -15mA，最小值为 -20mA。
• 数字电源电流：典型值为3mA，最大值为6mA。
• 关断正电流：典型值为1µA。
• 关断负电流：典型值为 -1µA。
• 关断数字电流：典型值为13µA。
• 正电源抑制比（PSRR+）：为±1 LSB。
• 负电源抑制比（PSRR -）：为±1 LSB。
• 功耗：典型值为175mW。

五、引脚配置和功能

5.1 引脚配置

MAX115/MAX116采用36引脚SSOP封装，各引脚功能如下：	引脚编号	引脚名称	功能描述
1, 2	CH2B, CH2A	通道2多路复用输入（单端）
3, 4	CH1B, CH1A	通道1多路复用输入（单端）
5	AVDD	模拟电源电压
6	REFIN	外部参考输入/内部参考输出，需通过0.1µF电容旁路到AGND
7	REFOUT	参考缓冲输出，需通过4.7µF电容旁路到AGND
8, 36	AGND	模拟地，两个引脚都必须接地
9 - 16	D11 - D4	数据位，D11为最高有效位（MSB）
17	DVDD	数字电源电压
18	DGND	数字地
19, 20	D3, D2	数据位
21, 22	D1/A3, D0/A2	双向数据位/地址位
23, 24	A1, A0	地址位
25	CLK	时钟输入，占空比必须在30%到70%之间。连接CLK到DVDD可激活内部时钟
26	CS	芯片选择输入（低电平有效）
27	WR	写输入（低电平有效）
28	RD	读输入（低电平有效）
29	CONVST	转换启动输入，上升沿启动采样和转换序列
30	INT	中断输出，下降沿表示转换序列结束
31	AVSS	模拟电源电压
32, 33	CH4A, CH4B	通道4多路复用输入（单端）
34, 35	CH3A, CH3B	通道3多路复用输入（单端）

5.2 引脚功能详解

• 模拟输入引脚（CHxA、CHxB）：用于连接外部模拟信号，每个通道有两个多路复用输入，可提供总共八个单端输入。
• 电源引脚（AVDD、AVSS、DVDD、DGND）：AVDD和AVSS为模拟电源，DVDD和DGND为数字电源，为芯片提供必要的电源供应。
• 参考引脚（REFIN、REFOUT）：REFIN用于连接外部参考电压或输出内部参考电压，REFOUT为参考缓冲输出，需要适当的电容旁路以保证参考电压的稳定。
• 数据和地址引脚（D0 - D11、A0 - A3）：D0 - D11为数据位，用于传输转换后的数字数据；A0 - A3为地址位，用于选择转换通道和编程工作模式。
• 控制引脚（CS、WR、RD、CONVST、INT）：CS为芯片选择信号，WR和RD分别为写和读控制信号，CONVST用于启动转换，INT用于指示转换结束。
• 时钟引脚（CLK）：可选择内部时钟或外部时钟，通过连接CLK到DVDD激活内部时钟。

六、工作原理

6.1 转换技术

MAX115/MAX116采用逐次逼近型转换技术，结合四个同步采样T/H放大器，将模拟信号转换为12位数字输出。每个T/H放大器有两个多路复用输入，允许总共八个输入。T/H放大器在CONVST信号的上升沿保持输入电压，然后ADC对每个T/H输出进行转换，并将结果存储在内部4 x 12位存储器中。

6.2 转换时序和控制

转换时序和控制序列由内部或外部时钟、CONVST信号和编程模式决定。CONVST信号的上升沿启动采样和转换序列，在转换完成之前，额外的CONVST脉冲将被忽略。片上序列器可以根据编程模式，每次转换一个到四个通道。默认模式下，转换一个T/H输出（CH1A），转换完成后会产生一个中断信号（INT）。通过双向并行接口重新编程，可以选择转换两个到四个通道。

6.3 数据访问

转换结果存储在内部存储器中，可以通过对RD引脚施加连续脉冲来访问数据。连续读取操作将按顺序访问数据字，存储器不是随机访问的，CH1的数据总是首先被读取。在进行四次连续读取或启动新的转换后，地址指针将重新选择CH1。

6.4 编程模式

MAX115/MAX116有八种转换模式和一个掉电模式，通过双向并行接口进行编程。上电时，设备默认进入输入多路复用器A/单通道转换模式。用户可以选择两个四通道输入组（多路复用输入A或多路复用输入B），内部微序列器可以编程为每次采样转换一个到四个通道。

七、使用注意事项

7.1 时钟选择

MAX115/MAX116有内部10MHz（典型值）时钟，可通过连接CLK到DVDD激活，内部时钟启动时间典型值为165µs。CLK输入也可接受占空比在30% - 70%之间的外部时钟。在选择时钟时，需要根据具体应用需求和系统要求来决定使用内部时钟还是外部时钟。如果对时钟精度要求较高，可能需要使用外部时钟；如果追求简单和方便，则可以选择内部时钟。

7.2 参考电压

可以使用内部或外部参考电压。内部参考使用方便，但在宽温度范围内精度可能不如外部参考。如果需要在宽温度范围内保证高精度，建议使用外部参考电压，如MAX6325，其温度漂移最大为1ppm/°C。连接外部参考时，REFIN的最小阻抗为7kΩ，REFOUT需要用4.7µF低ESR电容旁路。

7.3 电源旁路和接地

为了获得最佳系统性能，应使用具有独立模拟和数字接地平面的印刷电路板，不建议使用绕线板。将DGND和AGND引脚连接在一起，并连接到系统模拟接地平面，以避免数字噪声干扰ADC的模拟部分。AGND引脚必须直接连接到低阻抗接地平面，引脚与接地平面之间的额外阻抗会增加串扰并降低积分非线性（INL）。同时，AVDD和AVSS需要用0.1µF陶瓷电容旁路到AGND，DVDD需要用0.1µF陶瓷电容旁路到DGND，可使用铁氧体磁珠进一步隔离模拟和数字电源。

7.4 编程和转换操作

在编程MAX115/MAX116时，将CS拉低，对双向引脚A0 - A3进行编程，并将WR脉冲拉低，数据在WR或CS的上升沿锁存到设备中。启动转换时，在编程完成后，将CONVST脉冲拉低以启动转换序列，模拟输入在CONVST上升沿采样。在转换过程中，不要启动新的转换，也不要进行读取操作，否则会影响转换的准确性。读取转换结果时，在收到INT信号后，通过最多四次读取操作访问最多四个通道的转换结果。

7.5 输入带宽和抗混叠滤波

T/H的输入跟踪电路具有10MHz小信号带宽，可以使用欠采样技术数字化高速瞬态事件和测量带宽超过ADC采样率的周期性信号。为了避免高频信号混叠到感兴趣的频带中，建议使用抗混叠滤波。

八、总结

MAX115/MAX116作为一款高性能的2x4通道同步采样12位ADC，具有高速转换、宽输入范围、故障保护、灵活的编程模式等诸多优点，适用于多相电机控制、电网同步、功率因数监测等多种应用场景。在使用过程中，需要注意时钟选择、参考电压、电源旁路和接地、编程和转换操作以及输入带宽等方面的问题，以确保其性能的充分发挥。电子工程师在设计中可以根据具体需求，合理选择和使用MAX115/MAX116，为系统的高效运行提供有力支持。

你在使用MAX115/MAX116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。