[原创] 使用AD7606B构建高精度数据采集系统

ADI工业控制领域具备深厚的技术积累，数十年来不断推进包括自动化测试设备、科学和环境监测、工业传感和控制等多个领域的技术进步。在ADI众多产品线中，AD/DA是其最重要的产品线，本次我将要介绍的，是ADI近几年推出的一款明星产品：AD7606B。

AD7606B核心性能指标

根据ADI官网说明：

AD7606B 是一款 16 位同步采样模拟-数字数据采集系统 (DAS)，具有 8 个通道，每个通道包含模拟输入钳位保护、可编程增益放大器 (PGA)、低通滤波器、16 位逐次逼近寄存器 (SAR) 和模数转换器 (ADC)。AD7606B 还包含灵活的数字滤波器、低漂移、2.5 V 精密基准电压源和基准电压缓冲器，用于驱动 ADC 以及灵活的并行和串行接口。

AD7606B 采用 5 V 单电源供电，在所有通道以 800 kSPS 的吞吐量采样时，可提供 ±10 V、±5 V 和 ±2.5 V 的真正双极输入范围。输入钳位保护可承受高达 ±21 V 的电压。AD7606B 具有 5 MΩ 模拟输入阻抗，当输入信号断开并通过 10 kΩ 外部电阻器接地时，导致小于 20 LSB 的双极零代码。由于采用单电源供电、片内滤波和高输入阻抗，因此无需外部驱动运算放大器（这些放大器需要双极性电源）。对于吞吐率较低的应用，AD7606B 灵活数字滤波器可用于提高噪声性能。

• 16位、800 kSPS ADC（所有通道）

• 具有5 MΩ模拟输入阻抗的输入缓冲器

• 与AD7606引脚兼容

• 工作温度范围：−40°C至+125°C

• 5 V单模拟电源，VDRIVE电源电压：1.71 V至3.6 V

• 具有8 kV ESD的±21 V输入箝位保护

• 在软件模式下可用的额外模式

  • 每通道可选模拟输入范围

    • 单端，双极性：±10 V、±5 V和±2.5 V

  • 每通道系统相位、偏移和增益校准

  • 模拟输入开路检测特性

  • <22 LSB开路码值误差(RPD = 10 kΩ)

  • 自诊断和监控特性

  • 有关读/写数据和寄存器的CRC差错校验

AD7606B外围电路设计

AD7606B具备极高的集成度，仅需要5V单电源供电。同时内部集成了基准源，其温漂系数典型值为3ppm/°C，最大值为10ppm/°C，可以满足常规应用的需求；同时可以配置使用外部基准源。

在软件模式下，AD7606B具备最大的配置灵活度，可以选择输入范围、每通道校准、过采样等功能，下图展示了软件模式下其典型的原理图设计。

需要注意的是，ADI建议在ADC输入前端放置串联电阻，以保护ADC。根据下图手册说明，AD7606B可以耐受的最大电压为±21 V，可以耐受的最大电流为10mA。例如用户实际使用中可能测量到的电压峰值为50V，则最低串联电阻为(50V-21V)/10mA = 2.9k。实际使用中，可以选中更大的阻值：尽管从模拟电路的角度来看，外部电阻的引入会引起测量误差，但配合AD7606B软件模式下所支持的增益校准，可以近乎消除外部电阻引入的误差。后文会再次介绍。

此外，外部电阻搭配电容使用，还可以构建为一个低通滤波器，可以作为系统的抗混叠滤波器使用。

AD7606B软件设计

AD7606B采用16bit并行数据接口，可以轻松应对8通道800kSPS/16bit的采样数据，同时可以通过软件实现读写数据的CRC校验，具备完善的诊断和监控特性。

AD7606B可以配合具备并行数据接口的ARM/DSP/FPGA使用，ADI也提供了参考代码。

AD7606B校准功能说明

在外部电路设计部分，我们提到AD7606B可以在ADC模拟前端增加外部电阻以保护ADC端口，但该外部电阻会引入额外的采样误差。

AD7606B具备系统增益校准功能，具体为通过向寄存器0x09~0x10写入外部电阻阻值，系统将自动校准采样结果。

如图展示，以外部电阻为27k为例，如果不启用该校准方式，27k的外部电阻会引入高达170个LSB的误差；启用增益校准后，可以看到同一外部电阻下，引入的误差典型值仅为5LSB。

这是AD7606B，是AD7606的升级版