ADS8689 數(shù)據(jù)手冊

1. 產(chǎn)品概述

ADS8689 是德州儀器（TI）推出的一款高性能、低功耗的16 位多通道逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（SAR ADC），集成了高精度電壓參考、多路輸入復(fù)用器及高速采樣保持電路。器件通過先進的工藝制程和優(yōu)化的電路布局，實現(xiàn)了在寬溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運行，同時兼顧了精準度和動態(tài)性能，使其在工業(yè)自動化、數(shù)據(jù)采集、傳感器讀出、通信基站、測試測量設(shè)備等應(yīng)用中表現(xiàn)出色。ADS8689 支持多達八路差分或單端輸入，可通過內(nèi)部復(fù)用器快速切換通道，無需外部多路開關(guān)，大幅簡化系統(tǒng)設(shè)計。器件最大采樣速率可達 200 kSPS，內(nèi)部提供可編程采樣模式，適配單次轉(zhuǎn)換與連續(xù)掃描需求；同時，內(nèi)置精密的 2.5 V 基準電源，溫度系數(shù)低于 2 ppm/°C，典型初始準確度達 ±0.1%，可確保測量結(jié)果在長期運行中的一致性。通過 SPI 總線與主控器件通信，兼容多種時鐘相位和極性設(shè)置，接口靈活易用。ADS8689 還具備自動校準功能，能夠在上電或特定轉(zhuǎn)換次數(shù)后自動校正內(nèi)部失配，進一步減少整體系統(tǒng)誤差。憑借出色的性價比和穩(wěn)定可靠的性能，該器件已廣泛應(yīng)用于高精度數(shù)據(jù)采集、過程控制和智能監(jiān)測等場景。

2. 主要特性

• 高分辨率與高線性度

ADS8689 提供 16 位分辨率，使用逐次逼近寄存器架構(gòu)，大幅降低了轉(zhuǎn)換時間與功耗，并在滿量程范圍內(nèi)實現(xiàn)優(yōu)異的直線度。典型無失調(diào)誤差（INL）與無游移誤差（DNL）均小于 ±1 LSB，可滿足各類高精度測量需求。

• 多通道輸入與快速復(fù)用

器件內(nèi)置八路差分或單端輸入通道，通過片內(nèi)多路復(fù)用器實現(xiàn)通道切換，無需外部多路復(fù)用器，減少電路板面積和系統(tǒng)成本。通道復(fù)用開關(guān)延遲極短，保證了快速掃描時的穩(wěn)定性和準確度。

• 高采樣速率與靈活模式

支持 最高 200 kSPS 的采樣速率，適用于高速數(shù)據(jù)采集場景。用戶可根據(jù)應(yīng)用需求，通過寄存器配置實現(xiàn)單次轉(zhuǎn)換模式或連續(xù)掃描模式，并可選擇不同采樣時鐘分頻，以平衡帶寬與功耗。

• SPI 接口與靈活通信

兼容標(biāo)準四線 SPI 通信協(xié)議，最高時鐘頻率可達 50 MHz。支持多種時鐘相位（CPHA）和極性（CPOL）設(shè)置，并提供片選（CS）管腳，可與多種主控器件（MCU、DSP、FPGA）無縫集成。

• 內(nèi)置高精度基準電源

集成 2.5 V 精密參考電源，典型精度 ±0.1%，溫漂不超過 2 ppm/°C，有效降低外部參考源誤差對系統(tǒng)性能的影響。用戶可通過使能腳選擇使用內(nèi)部或外部參考。

• 低功耗設(shè)計與自動校準

在 200 kSPS 高速模式下，功耗典型為 7.5 mW；在低速模式下，功耗進一步下降，適合電池供電和便攜式測量系統(tǒng)。器件上電或轉(zhuǎn)換次數(shù)達到設(shè)定值后，可自動進行內(nèi)部失配校準，確保長期運行下的測量一致性。

3. 引腳配置與功能說明

• VDD

數(shù)字電源輸入引腳，輸入電壓范圍為 2.7 V 至 5.5 V。該引腳為內(nèi)部數(shù)字邏輯、寄存器和 SPI 接口提供電源，建議在 VDD 引腳與地之間并聯(lián)適當(dāng)大小的高頻和低頻電容，以確保電源穩(wěn)定性和抑制噪聲。

• VREF

基準電壓輸入/輸出引腳。器件內(nèi)部參考使能時，VREF 輸出精密 2.5 V 電壓；如需外部參考，可通過設(shè)置寄存器模式將 VREF 配置為參考輸入端，兼容范圍 2.0 V 至 3.6 V，以滿足不同系統(tǒng)對參考電壓的需求。

• AIN0~AIN7

模擬輸入通道引腳，共八個。支持差分輸入（AINx 與 AIN(x+4) 配對）與單端輸入模式，可通過配置寄存器選擇輸入類型。輸入結(jié)構(gòu)采用采樣保持電路，可自動對輸入信號進行采樣并在轉(zhuǎn)換期間內(nèi)部隔離，以降低輸入信號源阻抗帶來的精度誤差。

• SCLK/MCLK

串行時鐘輸入引腳，為 SPI 通信提供時序基準。用戶可根據(jù)系統(tǒng)時鐘性能需求，將 SCLK 設(shè)置在 0 至 50 MHz 范圍內(nèi)，SPI 時鐘極性和相位參數(shù)可編程，以適配不同主控設(shè)備的時序要求。

• SDI

串行數(shù)據(jù)輸入引腳。主控設(shè)備在轉(zhuǎn)換周期開始前，通過 SDI 向 ADS8689 寫入控制字和寄存器地址，用于配置通道選擇、轉(zhuǎn)換模式和參考源等參數(shù)。

• SDO

串行數(shù)據(jù)輸出引腳。在每次轉(zhuǎn)換完成后，ADC 將 16 位轉(zhuǎn)換結(jié)果通過 SDO 以 MSB 先行的方式輸出，主控器件可根據(jù)時鐘和片選信號時序讀取完整數(shù)據(jù)。

• CS

片選控制引腳，低電平有效。當(dāng) CS 引腳為低電平時，器件進入激活狀態(tài)并準備接收/輸出數(shù)據(jù)；在高電平時，內(nèi)部數(shù)字電路進入待機狀態(tài)，以進一步降低功耗并防止總線沖突。

4. 功能框圖

ADS8689 的內(nèi)部功能框圖清晰展示了器件各模塊之間的信號流動與邏輯關(guān)系。首先，外部模擬信號通過多路復(fù)用器進入采樣保持電路，保持電路由高帶寬采樣開關(guān)與儲能電容組成，能夠快速對輸入信號進行采樣并鎖存電壓值。鎖存后的信號首先進入采樣放大器級，以提高信號驅(qū)動能力并隔離后續(xù)的比較器噪聲。隨后，逐次逼近寄存器（SAR）核心開始工作：SAR 邏輯控制數(shù)字比較器，依次對電容陣列充放電，比較器輸出結(jié)果反饋給 SAR 邏輯以修正內(nèi)部 DAC 電平。經(jīng)過 16 次采樣與比較閉環(huán)后，SAR 邏輯生成最終的數(shù)字碼。該數(shù)字碼通過輸出寄存器暫存，并在時鐘沿觸發(fā)下經(jīng) SPI 接口（SDO 引腳）傳輸至外部主控。整個過程具備極低的時鐘抖動敏感度與開關(guān)噪聲，以保證高精度轉(zhuǎn)換。

5. 工作原理及內(nèi)部架構(gòu)

ADS8689 采用逐次逼近型（SAR）架構(gòu)，它在功耗、性能和實現(xiàn)復(fù)雜度之間取得了良好平衡。其基本工作流程如下：

1. 采樣保持：在采樣周期開始時，模擬多路復(fù)用器根據(jù)配置寄存器的通道選擇信號連接對應(yīng)輸入通道；采樣開關(guān)導(dǎo)通，將輸入信號加載到內(nèi)部采樣電容上，并在后續(xù)比較階段保持該電壓值。

2. 逐次逼近轉(zhuǎn)換：內(nèi)部 SAR 邏輯首先將 DAC 電容陣列的最高權(quán)重電容充至 VREF/2，并與采樣保持電容電壓進行比較；比較器輸出決定該位的取值。之后 SAR 邏輯根據(jù)比較結(jié)果更新電容電荷，依次調(diào)整下一個權(quán)重電容，重復(fù) 16 次，直至完成全部位的判決。

3. 數(shù)字輸出：SAR 邏輯完成所有位判斷后，將結(jié)果寫入輸出寄存器。主控設(shè)備在 SPI 時鐘沿下，通過拉低 CS 并驅(qū)動 SCLK，從 SDO 引腳按 MSB 到 LSB 順序讀取 16 位轉(zhuǎn)換結(jié)果。

4. 自動校準與校正：ADS8689 內(nèi)置自校準功能，在上電或用戶設(shè)置的轉(zhuǎn)換周期間隔后，內(nèi)部將依次進行偏置校準與增益校準。具體來說，器件在內(nèi)部短接輸入與 VREF，通過內(nèi)部通道測量與理想值的偏差，自動調(diào)整寄存器偏置與倍率系數(shù)，以補償電路失配和環(huán)境漂移影響。

5. 數(shù)字控制與寄存器接口：除了基本轉(zhuǎn)換功能外，ADS8689 的 SPI 接口還可用于配置轉(zhuǎn)換模式、參考源選擇、通道掃描順序、功耗模式切換等。內(nèi)部寄存器映射清晰，寫讀操作僅需 24 位控制字，通過 SDI 輸入并在同一 SPI 周期內(nèi)更新設(shè)置。

6. 性能參數(shù)及規(guī)格

為了精準評估 ADS8689 的性能指標(biāo)，以下列舉關(guān)鍵參數(shù)并結(jié)合典型值與應(yīng)用場景進行說明：

• 分辨率與精度

  器件提供 16 位分辨率，對應(yīng)滿量程 (FSR) 的 65,536 個離散電平。典型無失調(diào)誤差（Offset Error）小于 ±1 LSB，無失真誤差（DNL）和無積分非線性誤差（INL）均優(yōu)于 ±1 LSB。該精度水平在精密測量、溫度傳感及低速控制系統(tǒng)中表現(xiàn)卓越，能夠分辨微小信號變化。

• 動態(tài)性能

  在 200 kSPS 采樣速率下，典型總諧波失真（THD）為 -98 dB，總諧波與噪聲比（THD+N）優(yōu)于 98 dB，信噪比（SNR）達到 96 dB。無雜散動態(tài)范圍（SFDR）可達 110 dB，滿足無線通信和頻譜分析系統(tǒng)對動態(tài)范圍的高要求。

• 溫度漂移與工作溫度

  器件溫度系數(shù) (TC) 經(jīng)優(yōu)化設(shè)計，參考源溫漂低于 2 ppm/°C。ADC 精度在 -40°C 至 +125°C 范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，無需外部溫度補償電路，即可應(yīng)用于工業(yè)級環(huán)境。

• 電源電流與功耗

  在 200 kSPS 模式下，數(shù)字電源電流典型值為 3 mA，模擬+參考電源電流約 3 mA，整體功耗典型 7.5 mW。用戶可將器件置于待機模式，關(guān)閉采樣電路與參考，功耗降至微安級，適合電池供電場景。

• 輸入范圍與阻抗

  模擬輸入通道支持 ±VREF 范圍，單端模式下輸入電壓范圍為 0 至 VREF，差分模式下為 ±VREF。輸入阻抗約 3 kΩ（典型），并提供輸入放大器以降低源阻抗對精度的影響。

• 時序與吞吐量

  通過可編程分頻器，支持不同的采樣時鐘分辨率設(shè)置，使吞吐量與帶寬達到最優(yōu)平衡。最大轉(zhuǎn)換延遲小于 5 μs，可滿足實時系統(tǒng)對快速響應(yīng)的需求。

7. 典型應(yīng)用電路

下面給出三個典型示例，以幫助讀者在不同場景中快速集成 ADS8689：

• 工業(yè)過程控制與數(shù)據(jù)采集

  在 PLC 或分布式控制系統(tǒng)中，用于采集各種模擬傳感器（溫度、電流、電壓）的信號。典型電路包括傳感器信號經(jīng)精密運算放大器隔離后連接至 ADS8689 輸入通道，多通道復(fù)用器使系統(tǒng)能夠輪流掃描多路現(xiàn)場信號。

• 橋式傳感器測量

  應(yīng)用于壓力傳感器、稱重傳感器等橋式器件。通過前端差動放大器將微弱差分信號提升至適用于 ADC 的電平，并經(jīng)過 RC 濾波后輸入，充分利用 ADS8689 的差分輸入和高分辨率優(yōu)勢，實現(xiàn)微伏級別測量。

• 通信基站監(jiān)測與頻譜分析

  在無線通信基站中，用于監(jiān)控射頻功率或環(huán)境噪聲。結(jié)合高速采樣與高動態(tài)范圍特性，可將射頻檢測器輸出經(jīng)過帶通濾波與包絡(luò)檢波后輸入 ADS8689，實現(xiàn)實時功率監(jiān)測與告警。

8. 電氣特性曲線

在設(shè)計階段，參考電氣特性曲線能夠幫助工程師快速評估器件性能：

• INL 與 DNL 曲線：展示在滿量程范圍內(nèi)非線性誤差隨輸入電壓變化的曲線，可用于評估系統(tǒng)線性度余量。

• SNR 與 THD+N 隨采樣速率曲線：顯示在不同采樣速率下信噪比與諧波噪聲比的變化趨勢，幫助平衡速度與精度。

• 功耗隨采樣模式變化曲線：包含連續(xù)模式、單次模式與待機模式下的功耗曲線，為低功耗設(shè)計提供依據(jù)。

• 參考電壓輸出精度隨溫度變化曲線：反映內(nèi)部參考在全溫度范圍內(nèi)的輸出穩(wěn)定性，可用于評估系統(tǒng)對溫度漂移的容忍度。

9. 布局與布線建議

在高精度 ADC 設(shè)計中，PCB 布局與布線往往是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一。為了最大限度降低噪聲耦合、串?dāng)_和地彈等問題，以下是一些實用的布局與布線建議：

• 模擬與數(shù)字地分離
  將模擬地（AGND）與數(shù)字地（DGND）分開走線，避免數(shù)字開關(guān)電流對模擬地的干擾。在芯片附近設(shè)置星形接地點，將兩者在電源入口處匯合。

• 電源去耦與濾波
  在 VDD、VREF 及模擬輸入通道旁緊鄰布置去耦電容。建議在 VDD 引腳與地之間并聯(lián)一個 0.1 μF 陶瓷電容和一個 10 μF 低漏電電解電容；在 VREF 引腳處添加高精度 1 μF 陶瓷電容，以保證基準源的穩(wěn)定性。

• 輸入信號走線優(yōu)化
  對差分輸入信號使用平衡走線，保持走線寬度和間距一致，避免外部 EMI 干擾。在靠近 ADC 輸入端放置小信號 RC 濾波網(wǎng)絡(luò)，以衰減高頻噪聲并防止采樣開關(guān)尖峰。

• 數(shù)字信號與模擬信號分層走線
  在多層板設(shè)計中，將模擬信號層和數(shù)字信號層分開，盡量將高速 SPI 時鐘線、片選線和數(shù)據(jù)線布置在數(shù)字層，并在數(shù)字層和地層之間留足銅皮。

• 散熱與機械布局
  ADS8689 的功耗雖低，但當(dāng)多路高速轉(zhuǎn)換時仍會產(chǎn)生一定熱量。建議在芯片下方留出通孔或銅箔散熱區(qū)，并在 PCB 邊緣預(yù)留風(fēng)道，以增強散熱效果。

10. 封裝信息與機械尺寸

ADS8689 提供緊湊的 TSSOP-28 封裝，封裝表面平整，焊盤易于波峰焊或回流焊工藝。下表列出封裝關(guān)鍵尺寸：

• 引腳數(shù)：28

• 封裝類型：TSSOP

• 引腳間距：0.65 mm

• 封裝寬度：6.4 mm（最大）

• 封裝長度：9.7 mm（最大）

• 封裝高度：1.2 mm（最大）

另外，推薦焊盤尺寸為 0.4 mm × 1.2 mm，且焊盤間距保持 0.65 mm，以確保良好的焊接可靠性和可重復(fù)裝配性能。

11. 環(huán)境及可靠性測試

為滿足工業(yè)級應(yīng)用要求，ADS8689 在設(shè)計和生產(chǎn)過程中需通過一系列環(huán)境與可靠性測試：

• 溫度循環(huán)測試（Thermal Cycling）
  將封裝器件在 -65°C 至 +150°C 溫度范圍內(nèi)循環(huán)多次，以驗證封裝和內(nèi)部焊接可靠性。

• 高溫存儲測試（High-Temperature Storage）
  在 150°C 下持續(xù)存儲 1000 小時，評估封裝材料和內(nèi)部電路的長期穩(wěn)定性。

• 高加速應(yīng)力測試（HAST）
  在 130°C、85% 相對濕度條件下施加加速應(yīng)力，檢測器件的密封性和防潮性能。

• 振動與機械沖擊測試
  模擬實際運輸和現(xiàn)場使用中的機械沖擊與振動，以確保器件在各種環(huán)境中的機械強度。

• 壽命可靠性測試（Life Test）
  按照 JEDEC 標(biāo)準，評估長期連續(xù)工作時的電氣性能漂移，包括偏置、增益和噪聲指標(biāo)的變化。

12. 常見問題及故障排查

以下列舉一些設(shè)計和調(diào)試過程中可能遇到的問題及解決方法：

• 問題：讀取數(shù)據(jù)不穩(wěn)定或噪聲較大
  原因：模擬地與數(shù)字地未分離，EMI 干擾。
  解決方法：重新規(guī)劃地線走向，采用星形接地，并在關(guān)鍵節(jié)點增加濾波。

• 問題：基準電壓不穩(wěn)定
  原因：VREF 去耦不足或外部參考未與內(nèi)部參考正確切換。
  解決方法：增大 VREF 附近去耦電容容量，檢查寄存器設(shè)置以確認內(nèi)部/外部參考模式。

• 問題：采樣速率達不到預(yù)期
  原因：SPI 時鐘頻率或時序設(shè)置有誤。
  解決方法：確認 SCLK 頻率和 SPI 時序參數(shù)（CPOL/CPHA）與寄存器配置一致。

• 問題：溫度漂移超出規(guī)格
  原因：環(huán)境溫度補償不足或器件工作超出額定溫度范圍。
  解決方法：在關(guān)鍵測量鏈路增加溫度傳感器并進行軟件校正，確保工作溫度在 -40°C 至 +125°C 之間。

13. 外部資源與參考文獻

• 德州儀器官方網(wǎng)站 ADS8689 產(chǎn)品頁面與數(shù)據(jù)手冊下載鏈接

• JEDEC 標(biāo)準文檔（JESD22）

• 《模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計與應(yīng)用實用手冊》, TI 應(yīng)用筆記

• 《高精度 ADC 電路設(shè)計指南》, EETimes 雜志專題