AD7787：低功耗24位Σ-Δ ADC的全面解析

在电子设计领域，高精度、低功耗的模数转换器（ADC）一直是工程师们追求的目标之一。Analog Devices的AD7787就是这样一款出色的低功耗2-通道24位Σ-Δ ADC，适用于多种低频率测量应用。今天，我们就来深入了解一下这款ADC的特性、性能和应用。

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1. 关键特性

1.1 电源与功耗

AD7787的电源电压范围为2.5 V至5.25 V，在正常模式下最大电流消耗为75 µA，而在掉电模式下最大仅为1 µA。这种低功耗特性使得它非常适合电池供电的应用，能有效延长设备的续航时间。

1.2 噪声与分辨率

在9.5 Hz的更新速率下，其RMS噪声仅为1.1 µV，具有19.5位峰 - 峰值分辨率（22位有效分辨率），积分非线性典型值为3.5 ppm。同时，它还能同时抑制50 Hz和60 Hz的干扰，保证了测量的准确性。

1.3 其他特性

内部时钟振荡器省去了外部时钟源的需求，轨到轨输入缓冲器可适应不同的输入信号，还有VDD监测通道可实时监测电源电压。其工作温度范围为 - 40°C至 + 105°C，采用10引脚MSOP封装，体积小巧。

2. 技术规格

2.1 电气参数

在不同的测试条件下，AD7787展现出了出色的性能。例如，ADC通道的输出更新速率范围为9.5 Hz至120 Hz，无失码分辨率达到24位。在9.5 Hz更新速率下，输出噪声为1.1 µV，积分非线性典型值为3.5 ppm。

2.2 输入输出范围

模拟输入的单极性电压范围为0至REFIN，绝对输入电压限制在GND - 100 mV至VDD + 30 mV之间。参考输入电压范围为0.1 V至VDD，平均参考输入电流为0.5 µA。

2.3 时序特性

在时序方面，SCLK的高脉冲宽度和低脉冲宽度最小值均为100 ns。不同电源电压下，CS下降沿到DOUT/RDY有效时间、SCLK有效沿到数据有效延迟等参数有所不同。

3. 引脚配置与功能

3.1 引脚配置

AD7787共有10个引脚，包括SCLK（串行时钟输入）、CS（芯片选择输入）、AIN1(+)和AIN1(-)（差分模拟输入）、REFIN（参考输入）、AIN2（单端模拟输入）、GND（接地）、VDD（电源电压）、DOUT/RDY（串行数据输出/数据就绪输出）和DIN（串行数据输入）。

3.2 功能描述

SCLK用于数据传输的时钟同步，CS用于选择芯片，DOUT/RDY不仅作为数据输出引脚，还能指示转换完成。不同引脚的组合和操作可以实现对ADC的配置和数据读取。

4. 内部寄存器

4.1 通信寄存器

这是一个8位只写寄存器，所有与芯片的通信都必须从对它的写操作开始。通过设置不同的位，可以确定后续操作是读还是写，以及操作的目标寄存器。

4.2 状态寄存器

8位只读寄存器，可用于获取ADC的状态信息，如转换是否完成（RDY位）、是否有错误发生（ERR位）等。

4.3 模式寄存器

用于配置ADC的工作模式，如连续转换模式、单转换模式或掉电模式，还能设置单极性或双极性模式、启用或禁用缓冲器等。

4.4 滤波器寄存器

可设置输出字速率，通过CDIV1和CDIV0位可以进入低功耗模式，降低时钟频率从而减少电流消耗。

4.5 数据寄存器

用于存储ADC的转换结果，是只读寄存器。

5. 噪声性能与低功耗模式

5.1 噪声性能

AD7787的输出噪声主要来自半导体器件的电气噪声和量化噪声。不同的更新速率和输入范围会影响其噪声性能和分辨率。例如，在9.5 Hz更新速率下，峰 - 峰值分辨率为19.5位，有效分辨率为22位。

5.2 低功耗模式

通过设置滤波器寄存器中的CDIV1和CDIV0位，可以将内部时钟频率除以2、4或8，从而降低电流消耗。但在低功耗模式下，ADC的性能可能会有一定程度的下降。

6. 数字接口

6.1 接口信号

AD7787的串行接口由CS、DIN、SCLK和DOUT/RDY四个信号组成。通过这些信号，可以实现对内部寄存器的读写操作。

6.2 工作模式

支持单转换模式、连续转换模式和连续读取模式。在单转换模式下，ADC在转换之间进入关机模式；连续转换模式是默认上电模式，ADC会持续进行转换；连续读取模式可以自动将转换结果放置在DOUT/RDY线上，提高数据读取效率。

7. 电路设计要点

7.1 模拟输入通道

AD7787有两个模拟输入通道，可在缓冲或非缓冲模式下工作。缓冲模式下，输入能容忍较大的源阻抗；非缓冲模式下，模拟输入电流会增大，且需要注意外部电阻/电容组合对增益误差的影响。

7.2 单极性/双极性配置

可以通过编程模式寄存器中的U/B位来选择单极性或双极性输入电压范围，以适应不同的应用需求。

7.3 参考输入

参考输入电压范围为0.1 V至VDD，推荐使用低噪声的参考电压源，如ADR381和ADR391。同时，要注意参考输入的高阻抗动态负载特性，避免引入直流增益误差。

7.4 VDD监测

AD7787可以监测VDD引脚的电压，通过设置通信寄存器中的CH1和CH0位，将VDD电压内部衰减5倍后进行模数转换，方便监测电源电压的变化。

7.5 接地与布局

为了保证AD7787的高性能，在电路板设计时要将模拟和数字部分分开，采用最小蚀刻技术设计接地平面，确保电流回流路径最短，避免数字电流流经模拟接地部分。同时，要做好电源去耦和信号屏蔽，减少噪声干扰。

8. 应用案例

8.1 电池监测

在电池监测应用中，AD7787可以直接连接到分流电阻测量电池电流，通过外部电阻网络衰减后测量电池电压。其内部缓冲器可以直接连接高阻抗衰减电路，避免引入增益误差。

8.2 其他应用

还适用于智能变送器、便携式仪器、传感器测量、温度测量、压力测量、称重秤和4至20 mA环路等多种应用场景。

总之，AD7787以其低功耗、高精度和丰富的功能，为电子工程师在低频率测量应用中提供了一个优秀的选择。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理配置其内部寄存器，注意电路设计和布局要点，以充分发挥其性能优势。你在使用AD7787或类似ADC时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。