AD7713：一款强大的信号调理 ADC 的深度剖析

引言

在电子设计领域，对于低频率测量应用而言，一款性能卓越的模拟前端至关重要。AD7713 作为 Analog Devices 推出的一款完整模拟前端，专为低频率测量应用打造，在工业控制、过程控制等诸多领域发挥着重要作用。本文将对 AD7713 进行全面解析，涵盖其特性、应用、工作原理以及使用注意事项等方面，希望能为电子工程师们在设计过程中提供有价值的参考。

文件下载：AD7713.pdf

一、AD7713 特性亮点

高精度与高性能

AD7713 采用电荷平衡 ADC 技术，实现了 24 位无丢失码性能，非线性度仅为 0.0015%，能够提供高精度的测量结果。其 3 通道可编程增益前端，增益范围从 1 到 128，可灵活适应不同的输入信号。具备 2 个差分输入和 1 个单端高电压输入，满足多样化的输入需求。

低功耗设计

该器件支持单电源供电，典型功耗仅为 3.5 mW，还具备掉电模式，典型功耗低至 150 μW，非常适合对功耗要求较高的应用场景，如电池供电设备。

灵活的滤波与校准功能

内置低通滤波器，滤波器截止频率可编程，可根据实际需求调整滤波特性。同时，能够读写校准系数，提供自校准、系统校准和背景校准等多种校准选项，有效消除温度漂移等误差，确保测量的准确性。

便捷的通信接口

拥有双向微控制器串行接口，方便与微处理器、微控制器和数字信号处理器等进行通信，实现数据的传输和控制。

二、应用领域广泛

环路供电（智能）变送器

AD7713 总供电电流小于 1 mA，非常适合环路供电系统。其可编程增益通道可直接接受来自传感器的输入信号，减少了大量的信号调理环节，提高了系统的集成度和可靠性。

RTD 传感器应用

提供两个匹配的 200 μA 恒流源，可用于 3 线和 4 线 RTD 配置，为 RTD 传感器提供激励电流。通过合理的电路设计，能够有效消除引线电阻误差，提高测量精度。

过程控制与便携式工业仪器

在过程控制和便携式工业仪器中，AD7713 的高精度、低功耗和灵活的配置能力使其成为理想的选择，能够满足对信号测量和处理的严格要求。

三、工作原理详解

信号采集与转换

AD7713 采用 Σ - Δ 转换技术，输入信号通过模拟调制器进行采样，调制器输出经过片上数字滤波器处理，最终输出串行数字字。输入信号采样频率由主时钟频率和所选增益决定，通过多次采样和电容比例缩放实现不同的增益。

数字滤波

数字滤波器采用 sinc3 响应，其截止频率和第一陷波频率可通过片上控制寄存器编程。第一陷波频率范围为 1.952 Hz 至 205.59 Hz，对应 -3 dB 频率范围为 0.52 Hz 至 53.9 Hz。滤波器能够有效抑制 50 Hz 和 60 Hz 等干扰信号，提高测量的抗干扰能力。

校准机制

AD7713 提供多种校准模式，包括自校准、系统校准和背景校准。自校准通过内部短路输入和参考电压进行零点和满量程校准；系统校准利用系统提供的零刻度和满刻度电压进行校准，可补偿系统增益和偏移误差；背景校准则在正常转换序列中进行连续校准，自动更新校准系数，消除温度漂移和时间漂移的影响。

四、使用注意事项

时钟与同步

AD7713 需要主时钟输入，可采用外部时钟或晶体振荡器。时钟频率直接影响输入采样频率、调制器采样频率、输出更新速率和校准时间等参数。多个 AD7713 可通过 SYNC 输入进行同步，确保输出寄存器同时更新。

电源与接地

模拟和数字电源独立引脚，以减少模拟和数字部分之间的耦合。数字电源电压不得超过模拟电源电压 0.3 V，建议使用相同的 5 V 电源，并进行单独的去耦处理。

输入阻抗与抗混叠

AIN1 和 AIN2 输入呈现高阻抗动态负载，输入采样率决定了模拟输入电容的充电时间，外部阻抗过大会引入增益误差，可通过系统校准进行补偿。数字滤波器在整数倍调制器采样频率处无抑制能力，可在模拟输入前端添加适当的抗混叠滤波器。

校准与精度

为确保测量精度，应在环境温度、电源电压、增益、滤波器陷波或输入范围发生变化时进行校准。背景校准模式可自动处理这些变化，但需注意首次输出结果可能不准确。

五、接口与应用电路

数字接口

AD7713 提供自时钟模式和外部时钟模式两种工作模式，可根据不同的处理器和应用需求进行选择。自时钟模式下，AD7713 提供串行时钟信号；外部时钟模式下，需外部提供串行时钟。

典型应用电路

4 线 RTD 配置

利用 RTD 电流源为 RTD 传感器提供激励电流，同时利用另一个电流源生成参考电压，确保模拟输入电压跨度与参考电压成比例，补偿 RTD 电流源的温度漂移误差。

3 线 RTD 配置

通过第二个 RTD 电流源补偿引线电阻误差，消除因电流流过引线电阻产生的电压误差。

4 - 20 mA 环路测量

利用 AD7713 的高电平输入测量 4 - 20 mA 环路电流，通过系统校准消除 4 mA 电流产生的偏移。

六、总结

AD7713 以其高精度、低功耗、灵活的配置和强大的校准功能，成为低频率测量应用中的优秀选择。在实际设计过程中，电子工程师们需要充分考虑时钟、电源、输入阻抗和校准等因素，以确保系统的性能和稳定性。同时，合理选择应用电路和接口模式，能够充分发挥 AD7713 的优势，满足不同应用场景的需求。希望本文能为工程师们在使用 AD7713 时提供有益的指导，你在实际应用中是否遇到过类似的 ADC 器件？它们在性能和使用上有哪些差异呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。