AD7739：8通道高吞吐量24位Σ-Δ模数转换器技术解析

AD7739：8通道高吞吐量24位Σ-Δ模数转换器技术解析

AD7739是一款高性能24位Σ-Δ模数转换器（ADC），支持多达8个差分输入通道，适用于对精度和数据采集速率有高要求的应用领域，例如工业自动化、医疗诊断系统和高端数据采集平台。该器件以高达1400 SPS的采样速率和出色的动态范围著称，能够适应多样化的环境条件。

核心架构与功能概述

该ADC集成了多种核心模块，包括模拟多路复用器、差分输入缓冲器、Σ-Δ调制器、数字滤波器、时钟振荡器、数字I/O端口以及串行通信接口，适用于工业过程控制、测试测量设备及可编程逻辑控制器（PLC）等复杂系统。

模拟输入配置

AD7739提供了九个模拟输入引脚，并通过内部多路复用器连接至ADC输入端。用户可通过通道设置寄存器，灵活配置为8个单端输入或4个差分输入，或其任意组合。

差分输入缓冲器具备高带宽和快速建立时间，能够驱动Σ-Δ调制器的动态负载。启用内部缓冲器后，输入阻抗显著提升，有助于减少信号源的负载影响。

在斩波功能开启或通道切换期间，内部电容（约10 pF）会因多路复用器及缓冲器的充放电而产生动态电流。为确保采样精度，建议在输入端使用低阻抗信号源（阻抗不超过50 kΩ），以加快电容充电速度，避免16位以上精度下降。

为减小通道切换引起的电流波动，建议在模拟输入端配置低通RC滤波器，推荐参数为100Ω与100nF。这有助于平均动态电流，降低通道间串扰及增益误差。

多路复用器输出端电容的平均充电电流可通过以下公式估算：

其中，CMUX表示输出电容（约10 pF），VMUX为通道间电压差（最大5 V），fS为通道采样频率，与整体转换时间密切相关。

Σ-Δ调制器与数据处理

AD7739的Σ-Δ调制器采用电荷平衡架构，配合数字滤波器，能够实现快速、稳定的模数转换。这种设计确保了通道切换的高效性，同时保持高分辨率、优异的线性度和低噪声水平。

斩波功能与偏移校正

启用斩波功能后，多路复用器周期性地反向ADC输入信号，通过两次转换结果的平均消除偏移误差。图1展示了斩波模式下的通道信号链。

图1. 启用斩波的通道信号链示意图

多路复用器与数据输出时序

AD7739的转换流程包括稳定时间、采样时间及缩放时间。在斩波模式下（见图2），稳定时间约为43至44个MCLK周期（约7微秒），随后进行正负信号采样与结果平均处理，最终通过数字滤波器缩放并写入通道数据寄存器。

图2. 斩波模式下的多路复用器与转换时序

在禁用斩波时（见图3），仅进行一次采样，其时序流程相对简化。

图3. 禁用斩波模式下的时序图

在缩放时间中，RDY引脚将被置高，状态寄存器中的RDY位也被更新，表示数据已准备好。

连续转换模式下，ADC将自动切换至下一个启用通道，并重复上述流程。通道的转换周期与时钟设置及配置模式密切相关。

频率响应特性

Σ-Δ调制器的工作频率为MCLK的一半，即采样频率，其奈奎斯特频率为MCLK频率的1/4。

若斩波功能开启，输入信号将经历重采样处理，导致在1/通道转换时间附近出现频率响应凹口。典型响应曲线见图4与图5。

图4. 启用斩波时的ADC频率响应

图5. 禁用斩波时的ADC频率响应

需注意的是，频率响应特性与单个通道的转换时间相关，且在多通道操作中，信号在通道切换过程中仍可能被间接重采样。

模拟输入电压扩展范围

AD7739在标称输入电压范围内输出完整数据码，但在超出该范围时仍能工作，但其性能将受到影响。调制器设计可容忍约16%的过范围信号，超出该阈值后性能下降速度加快。

当模式寄存器中的钳位位被设置为1时，若模拟输入超出标称电压，数据寄存器将被限制为全0或全1。

若钳位位为0，则数据反映真实输入电压值，此时需通过通道状态寄存器中的符号位与溢出（OVR）位协同解码。

需注意，OVR位仅反映调制器的数字过范围状态，并不指示AIN引脚是否超出绝对电压范围。

参考检测机制

AD7739内置参考电压监测电路。当REFIN(+)与REFIN(-)引脚间电压低于0.5 V（典型值）且转换正在进行时，通道状态寄存器中的NOREF位将被置位。

数字I/O端口功能

P0引脚可配置为通用数字输出或模拟输入。

P1引脚（SYNC/P1）支持数字输入/输出功能，并可用于系统同步。当同步位被激活且SYNC引脚为低电平时，ADC将暂停转换，直到该引脚变为高电平后重新启动。

校准功能与方法

AD7739支持多种校准模式，包括ADC零标度校准、ADC全标度校准及每通道系统校准，以消除偏移与增益误差。

对于单极输入范围，数据解码公式为：

数据 = ((ADC结果 - R × ADC零点校准寄存器) × ADC满量程寄存器 / 0x200000 - R × 通道零点校准寄存器) × 通道满量程校准寄存器 / 0x200000

对于双极输入范围，公式为：

数据 = ((ADC结果 - R × ADC零点校准寄存器) × ADC满量程寄存器 / 0x400000 + 0x800000 - R × 通道零点校准寄存器) × 通道满量程校准寄存器 / 0x200000

其中，R取值为1或2，取决于输入电压范围。

校准流程包括设置模式寄存器、执行校准操作及更新校准寄存器。校准精度与转换时间正相关，因此建议至少使用默认转换时间。

ADC零标度校准

适用于禁用斩波模式，可减小偏移误差及温度引起的漂移。校准操作需将输入短接，并配置共模电压。

建议仅在校准期间更新ADC零标度寄存器。

ADC全标度校准

适用于+2.5 V和±2.5 V输入范围，以消除满量程误差。校准基于内部参考电压，不适用于±1.25 V及±0.625 V范围。

若使用较小量程，建议执行系统满量程校准。

每通道系统校准

用于校正系统级偏移与增益误差，建议按“零标度”与“满标度”顺序执行。

执行系统校准前，需先完成ADC自校准。校准过程中，需确保输入信号稳定。

典型应用电路

图6. 典型应用电路连接图