低功耗24位Σ-Δ ADC AD7791：特性、应用与设计要点

在电子设计领域，高精度、低功耗的模拟 - 数字转换器（ADC）一直是工程师们关注的焦点。今天，我们就来深入探讨一款性能出色的低功耗24位Σ - Δ ADC——AD7791。

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一、AD7791的特性亮点

1. 电源与功耗

AD7791的电源电压范围为2.5 V至5.25 V，正常工作电流最大为75 μA，在电源关闭模式下最大仅为1 μA。这种低功耗特性使得它非常适合电池供电的应用场景，能够有效延长设备的续航时间。例如，在一些便携式仪器中，低功耗意味着更长的使用时间，减少了频繁更换电池的麻烦。

2. 噪声与分辨率

在9.5 Hz的更新速率下，AD7791的均方根（RMS）噪声为1.1 μV，具有19.5位峰 - 峰分辨率（22位有效分辨率），积分非线性典型值为3.5 ppm。如此低的噪声和高分辨率，使得它能够精确地测量微弱信号，在传感器测量、温度测量等应用中表现出色。

3. 干扰抑制

该ADC具备同时抑制50 Hz和60 Hz干扰的能力，这在工业环境中尤为重要。因为工业现场往往存在着大量的50 Hz或60 Hz的工频干扰，通过有效的干扰抑制，能够确保测量数据的准确性。

4. 时钟与缓冲

AD7791内置时钟振荡器，用户无需额外提供时钟源，简化了设计。同时，它还配备了轨到轨输入缓冲器，能够适应较大的源阻抗，提高了系统的灵活性。

5. 温度范围与封装

工作温度范围为 - 40°C至 + 105°C，适用于各种恶劣环境。采用10引脚MSOP封装，体积小巧，便于集成到各种电路板中。

二、AD7791的接口与应用

1. 数字接口

AD7791采用3线串行接口，与SPI®、QSPI™、MICROWIRE™和DSP兼容，并且在SCLK上配备了施密特触发器，增强了信号的抗干扰能力。这种接口方式使得它能够方便地与各种微控制器、DSP等数字设备进行连接。

2. 应用领域

• 智能变送器：能够精确测量各种物理量，并将其转换为数字信号进行传输，实现智能化控制。
• 电池应用：低功耗特性使其成为电池供电设备的理想选择，如便携式医疗设备、无线传感器节点等。
• 便携式仪器：高精度和低功耗的结合，使得它能够满足便携式仪器对测量精度和续航时间的要求。
• 传感器测量：可以与各种传感器配合使用，如压力传感器、温度传感器等，实现对物理量的精确测量。

三、AD7791的技术细节

1. 寄存器配置

AD7791通过多个片上寄存器进行控制和配置，主要包括通信寄存器、状态寄存器、模式寄存器、滤波器寄存器和数据寄存器。

• 通信寄存器：用于确定下一次操作是读还是写操作，以及操作的目标寄存器。
• 状态寄存器：提供ADC的状态信息，如转换完成标志、错误标志等。
• 模式寄存器：可配置ADC的工作模式，如连续转换模式、单转换模式、待机模式等，还能设置单极性/双极性模式、缓冲器的启用或禁用等。
• 滤波器寄存器：用于设置输出字速率，通过设置不同的位组合，可以实现不同的时钟分频和输出更新速率。
• 数据寄存器：存储ADC的转换结果，是一个只读寄存器。

2. 噪声性能

AD7791的输出噪声主要来自半导体器件的电气噪声和量化噪声。在不同的更新速率下，其噪声性能有所不同。一般来说，更新速率越低，噪声越小，分辨率越高。例如，在9.5 Hz的更新速率下，RMS噪声为1.1 μV，峰 - 峰分辨率达到19.5位。

3. 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。在低功耗模式下，更新速率会相应降低，ADC的性能可能会有一定程度的下降，但能够显著节省功耗。

4. 数字接口操作

所有与AD7791的通信都必须从向通信寄存器写入数据开始。根据写入的数据，确定下一次操作是读还是写，并指定操作的目标寄存器。在不同的工作模式下，如单转换模式、连续转换模式和连续读模式，操作方式有所不同。

• 单转换模式：在转换之间，AD7791处于关机模式。当启动单转换时，它会上电进行一次转换，然后返回关机模式。
• 连续转换模式：这是上电后的默认模式，AD7791会持续进行转换，每次转换完成后，状态寄存器中的RDY引脚会变低。
• 连续读模式：通过向通信寄存器写入特定指令，可以进入连续读模式。在该模式下，只需向ADC施加适当数量的SCLK周期，当转换完成时，24位字会自动放置在DOUT/RDY线上。

四、电路设计要点

1. 模拟输入通道

AD7791有一个差分模拟输入通道，在缓冲模式下，输入通道连接到片上缓冲放大器；在非缓冲模式下，直接连接到调制器。缓冲模式下，输入能够容忍较大的源阻抗，适合直接连接外部电阻型传感器；非缓冲模式下，模拟输入电流较大，需要注意外部电阻/电容组合可能引入的直流增益误差。

2. 单极性/双极性配置

AD7791的模拟输入可以接受单极性或双极性输入电压范围，通过编程模式寄存器中的B/U位来选择。在单极性模式下，输出代码为自然二进制；在双极性模式下，输出代码为偏移二进制。

3. 参考输入

参考输入为2.5 V标称值，但AD7791在0.1 V至VDD的参考电压下都能正常工作。由于参考输入是无缓冲的，过大的R - C源阻抗会引入增益误差。推荐使用低噪声、低功耗的参考电压源，如ADR381和ADR391。

4. VDD监测

通过设置通信寄存器中的CH1和CH0位，可以使用模拟输入通道监测VDD引脚的电压。内部会将VDD电压衰减5倍，并使用内部1.17 V参考进行模数转换，方便监测电源电压的变化。

5. 接地与布局

由于AD7791的高分辨率和低噪声特性，在接地和布局方面需要特别注意。应将模拟和数字部分分开，采用最小蚀刻技术设计接地平面，将GND引脚连接到系统的AGND平面。电源供应线应尽可能宽，以提供低阻抗路径。同时，要避免数字信号和模拟信号的交叉，时钟信号应进行屏蔽，避免辐射噪声。

五、总结

AD7791是一款性能卓越的低功耗24位Σ - Δ ADC，具有低噪声、高分辨率、良好的干扰抑制能力等优点。通过合理的寄存器配置和电路设计，能够满足各种低频率测量应用的需求。在实际设计中，工程师们需要根据具体的应用场景，充分发挥AD7791的优势，同时注意接地和布局等细节，以确保系统的稳定性和准确性。你在使用AD7791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。