AD7792/AD7793 备忘

AD7792/AD7793 是一款 ∑-Δ ADC，3 通道、低噪声，内部集成仪表放大器和参考源。AD7792 为 16 位，AD7793为 24 位。

• 供电电压：2.7 ~ 5.25 V，并不支持负电压。
• 转换速率：4.17 Hz ~ 470 Hz
• 内置参考基准：1.17 V
• 内置运放增益：1 ~ 128
• 内置温度传感器
• 输出电流源：10 uA、210 uA 和 1000 uA
• SPI 通讯接口，使用 最大通讯速率 5 MHz
• 封装：TSSOP-16

功能框图

模拟输入

在设计原理图之前，必须确认输入信号的约束条件。

差分输入电压范围

增益为1 ~ 128范围内，差分输入电压范围为：±V_REF/Gain，单位是 V
这个式子表明：选择的增益越大，差分输入电压范围越小。换句话说，内部 ∑-Δ ADC 的输入电压不能超过 V_REF 。

无缓冲模式

ADC 内部有缓冲放大器（BUF），当增益为 1~2 时，可以选择旁路缓冲放大器。

• 先说好处，绝对模拟输入电压限值范围最大，可以达到：(GND-30) mV ≤ V_AIN ≤ (AV_DD+30) mV；然后，它可以检测相对于 GND 的小的双极性信号（- 30mV）。
• 然后是缺点，由于旁路掉了缓冲放大器，输入模拟电流变大；其次，ADC 的输入阻抗变低，所以被测信号的内阻和电容会导致增益误差，这取决于被测信号的内阻和电容的大小。如果想在 20 位分辨率下不引入增益误差，可被允许的被测信号链路的阻抗和电容如下图所示：
  
  从图中可以看出，这对被测信号的要求相当高，因此，缓冲放大器需要尽可能开启。

缓冲模式

当 ADC 的内部缓冲放大器被激活后，其输入阻抗显著提升，可以视为高阻抗输入。因此，ADC 的输入能够接纳具有显著高内阻的被测信号。适合直接连接到外部电阻型传感器，比如应变计或者 RTD 测温。

代价就是绝对模拟输入电压限值范围变小了，为：(GND + 100) mV ≤ V_AIN ≤ (AV_DD - 100) mV。
这是因为缓冲放大器的输入输出并不能达到轨到轨，当输入信号电压接近电源轨时，会有显著的失真。

仪表放大器模式

当增益 ≥4 时，ADC 自动启用内部 缓冲放大器和仪表放大器。使用这种模式时，允许测量非常小的输入信号，但也带来了新的问题，绝对模拟输入电压限值范围更小了，为：(GND + 300) mV ≤ V_AIN ≤ (AV_DD - 1.1) V
同时，因为引入了仪表放大器，仪表放大器要求的共模电压条件同样也引入了：V_CM ≥ 0.5V

共模电压 V_CM = (AIN(+) + AIN(-)) / 2

输出噪声差

对于ADC 器件，输出均方根噪声（RMS Noise）可以表征 ADC 的精度和性能。输出均方根噪声越小，表明 ADC 的输出信号中的噪声和干扰越低，因此 ADC 的转换结果更接近理想的模拟输入信号，即精度更高。

理想的 ADC 是没有输出噪声的，当输入接地，无论转换多少次，得到的 输出码（output code） 总是 0 。但实际上， ADC 内部有热噪声，转换过程中还会有量化噪声，实际转换的输出码并不总是为 0，而是如下图所示：

这个图一般称为 噪声直方图，该图提供了有关直流噪声性能的重要图形信息。噪声直方图具有高斯分布特性，ADC 的数据手册中通常会给出输出 均方根噪声 数据，这里均方根噪声定义为噪声直方图中 1 个标准差范围内的噪声，如下图所示，红色部分为均方根噪声：

标准差是一种衡量数据分布散度的度量值，用于描述数据相对于平均值的波动程度。它以符号σ表示。
具体来说，标准差的计算方法是求每个数据点与平均值的差的平方的平均数，然后取平方根。这个计算方法反映了数据相对于平均值的差异程度，即数据分布的离散程度。
标准差越小，数据相对比较紧凑，波动程度越小；标准差越大，数据相对比较分散，波动程度越大。

下面给出输入为 0V 差分电压、不同的增益和转换速率条件下，AD7792/AD7793 典型的输出均方根噪声（单位 uV）。

使用外部参考源

使用 2.5V 的外部参考源。

从图中可以看出：

• 增益越大，均方根噪声越小，低增益（1~4）均方根较大，增益达到 64 时，均方根噪声趋于稳定。
• 转换速率越高，均方根噪声越大。在使用时，尽可能的使用低转换速率。

使用内部参考源

使用 1.17V 的内部参考源。

从图中可以看出：

• 均方根噪声与增益和转换速率的关系同上（使用外部参考源）
• 增益和转换速率相同的条件下，使用内部参考源的均方根噪声稍稍变大，特别是增益为 1 时，比如转换速率为 4.17Hz 时，使用内部参考源的均方根噪声比使用外部参考源高出 26.5% 。但在增益大于等于 4 时，区别就没有那么明显，比如增益为 4 时，同样转换速率为 4.17Hz，使用内部参考源的均方根噪声比使用外部参考源只高出 10.3%。

有效分辨率和峰峰分辨率

上节介绍了 输出噪声，知道噪声不可避免，给出了各种条件下的 均方根噪声 数据。

峰峰噪声 （peak-to-peak noise）是另一种衡量输出噪声大小的方法，对很多应用来说，这种衡量方法更加有效，因为落在峰峰噪声范围内的有效模拟信号可能会被 ADC 的底噪所掩盖，导致输出码非常快速的抖动，称为 输出代码闪动（code flicker）。峰峰噪声是用均方根噪声计算而来的，即：
$$峰峰噪声=6.6\ast 均方根噪声$$
这是因为噪声直方图具有高斯分布特性，高斯曲线的分布是从负无穷大到正无穷大。然而，99.99%的码字出现在 6.6 倍均方根噪声范围内。因此，峰峰值噪声为均方根噪声的 6.6 倍，等效于所有码字，如下图所示，蓝色部分为峰峰噪声：

额外的过采样将有助于降低峰峰噪声，但代价是采样时间更长。

这与有效分辨率和峰峰分辨率有什么关系呢？

• 有效分辨率 （effective resolution）是通过均方根噪声计算出的；
• 峰峰分辨率 （peak-to-peak resolution）是通过峰峰噪声计算出来的。

因此，评估ADC时，应当认识到有效分辨率与峰峰分辨率的计算方法不同，与有效分辨率相比，峰峰分辨率更加严苛，不存在输出代码闪动。

有效分辨率和峰峰分辨率是如何计算的，这里给出过程。
首先，信噪比为：
$$SNR=20log(\frac{noise}{fullscaleinput})=6.02N+1.76$$
其中，N 为 ADC 的分辨率位数

下面给出不同的增益和转换速率条件下，AD7792 和 AD7793 的有效分辨率和峰峰分辨率（在括号内显示）。

使用外部参考源

从图中可以看出：

• 增益越大，有效分辨率和峰峰分辨率越差
• 转换速率越高，有效分辨率和峰峰分辨率越差
• 使用 16 位的 AD7792 时，增益和转换速率对分辨率的影响不明显
• 使用 24 位的 AD7793 时，要注意增益和转换速率的选择，以便获取所需的分辨率。
• 当使用 24 位的 AD7793 时，有效分辨率并不能达到 24 位，峰峰分辨率就更低了。

使用内部参考源

单极/双极配置

AD7792/AD7793 的模拟输入端可接受单极或双极的输入电压范围。然而，需要注意的是，双极输入范围的接纳并不意味着该部件可以承受相对于系统 GND 的负电压。在 AIN(+) 输入端上的信号，无论是单极还是双极，都是以 AIN(-) 输入端的电压为基准的。举个例子，假设 AIN(-) 的电压为 2.5 V，当 ADC 配置为单极模式且增益设为 1 时，AIN(+) 引脚上的输入电压范围就会是 2.5 V 至 5 V。如果 ADC 配置为双极模式，那么 AIN(+) 输入上的模拟输入范围则会变为 0 V 至 5 V。

这种灵活性是通过编程配置寄存器中的 U/B 位来实现的，从而轻松选择在双极或单极模式下运行。

数据输出编码

单极配置

当 ADC 配置为单极模式时，输出代码是直接二进制代码，零差分输入电压的输出代码为 0000…00、中间输入电压输出代码为 1000…00、满量程输入电压输出代码为 1111…11。模拟输入电压与输出代码满足：
$$Code=\frac{2^N\ast AIN\ast GAIN}{V_{REF}}$$
其中

• N 为分辨率，对于 AD7792 ，N = 16， 对于AD7793，N = 24。
• AIN 为模拟输入电压
• GAIN 为仪表放大器增益

双极配置

当 ADC 配置为双极模式时，输出代码是偏移二进制代码，负满量程输入电压的输出代码为 0000…000，零差分输入电压的输出代码为 1000…000，正满量程输入电压的输出代码为 1111…111。模拟输入电压与输出代码满足：
$$Code=2^{N-1}\ast (\frac{AIN\ast GAIN}{V_{REF}}+1)$$
其中

• N 为分辨率，对于 AD7792 ，N = 16， 对于AD7793，N = 24。
• AIN 为模拟输入电压
• GAIN 为仪表放大器增益

运行模式

连续转换模式

默认模式。
ADC 连续执行转换并将结果放入数据寄存器。转换完成后，RDY 引脚变低。
需要注意的是：在上电、通道改变、切换到该转换模式、写配置寄存器、写 IO 寄存器之后的第一次转换，转换时间是设置转换时间的一倍！如果上电第一次得到的转换结果不正确，原因可能在这里。

寄存器

通讯寄存器

与设备的所有通讯 必须 以写通讯寄存器开始。写入通讯寄存器的数据决定下一次操作是读操作还是写操作，以及此操作发生在哪个寄存器。当后续读写操作完成后，通讯接口自动返回默认状态（等待对通讯寄存的写入操作），以便进行下一次与设备通讯。

如果在这个过程中出错，需要将 DIN 置高 至少 32 个串行时钟周期，以便将通讯接口返回默认状态。

bit7：写使能位。必须写入 0，设备将忽略非零值，直到第一个 0 出现，然后接下来的 7 位数据也会被写入通讯寄存器。
bit6：读写标志。0 表示下一个操作是 写操作，1 表示下一个操作是 读操作。
bit2：数据寄存器 连续读，1 有效。bit2 = 1 且选中数据寄存器，则可以连续读取数据寄存器。退出连续读取数据寄存器需要向通讯寄存器的 bit2 写入 0。
连续读取模式时，ADC 会检测 DIN 脚信号，以便接收退出连续读取数据寄存器指令。但是通讯接口的复位条件是至少连续 32 个串行时钟周期内，DIN 为高电平，因此连续读模式期间，DIN 应保持为低电平。

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