在电子设计领域，模拟到数字的转换是一个关键环节，而ADC（模拟 - 数字转换器）则是实现这一转换的核心器件。今天，我们要深入探讨的是Texas Instruments（德州仪器）推出的ADS7828，一款具有出色性能和广泛应用的12位、8通道采样ADC。

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一、ADS7828概述

ADS7828是一款单电源、低功耗的12位数据采集设备，它集成了串行I²C接口和8通道多路复用器，为数据采集应用提供了强大而灵活的解决方案。以下是它的一些显著特性：

• 多通道与高采样率：拥有8通道多路复用器，采样率可达50kHz，且无丢失码，能够高效准确地采集多个模拟信号。
• 宽电压范围：支持2.7V至5V的工作电压，适用于多种电源环境。
• 内部参考与接口优势：具备内部2.5V参考电压，I²C接口支持标准、快速和高速三种模式，方便与各种微控制器和其他设备进行通信。
• 小封装设计：采用TSSOP - 16封装，节省电路板空间，适合小型化设计。

二、关键参数与性能指标

绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值对于确保其安全可靠运行至关重要。ADS7828的相关参数如下：

• 电压范围：电源电压（+Vp o GND）为0V至+6V，数字输入电压相对于GND为-V至+Vo + 0.3V。
• 温度范围：工作温度范围为-40°C至+105°C，存储温度范围为-55°C至+150°C，结温（Tmax）为+150°C。

电气特性

在不同的电源电压和工作模式下，ADS7828展现出了优秀的电气性能。以+2.7V电源为例，其部分关键参数如下：

• 模拟输入：全量程输入扫描范围为0至VREF + VDD + 0.2V，输入电容典型值为25pF，泄漏电流典型值为±1μA。
• 系统性能：分辨率为12位，积分线性误差、差分线性误差等指标表现出色，噪声和电源抑制比也能满足大多数应用需求。
• 采样动态：在高速模式（SCL = 3.4MHz）下，吞吐量频率可达50kHz，转换时间为8μs。

时序特性

I²C接口的时序特性对于数据传输的准确性和稳定性至关重要。ADS7828在标准、快速和高速三种模式下都有明确的时序要求，例如：

• SCL时钟频率：标准模式为100kHz，快速模式为400kHz，高速模式（CB = 100pF max）为3.4MHz。
• 总线空闲时间：标准模式下，STOP和START条件之间的总线空闲时间（tBUF）为4.7μs。

三、工作原理与接口协议

工作原理

ADS7828采用逐次逼近寄存器（SAR）架构，基于电容重新分配原理，内部集成了采样保持功能。当器件不进行转换或未被寻址时，A/D转换器核心处于断电状态，内部时钟停止工作，从而降低功耗。

模拟输入

在采样模式下，所选通道的电压被捕获到内部电容阵列上。输入电流取决于转换速率，采样期间，信号源需要为内部采样电容（典型值25pF）充电，充电完成后，输入电流为零。

参考电压

ADS7828可以使用内部2.5V参考电压或外部参考电压。当使用+5V电源时，需要外部+5V参考电压以提供全动态范围；使用+2.7V电源时，内部+2.5V参考电压即可满足需求。随着参考电压的降低，每个数字输出代码的模拟电压权重减小，即LSB（最低有效位）尺寸减小，同时A/D转换器固有的偏移和增益误差以及内部噪声在LSB尺寸上的表现会更加明显。不过，通过对连续转换结果进行平均，可以降低内部噪声带来的误差。

数字接口

ADS7828支持I²C串行总线和数据传输协议，工作在标准、快速和高速三种模式下。在I²C总线中，发送数据的设备为发送器，接收数据的为接收器，控制消息的是“主设备”，被控制的是“从设备”。ADS7828作为从设备，通过开漏I/O线SDA和SCL与总线连接。

I²C总线协议定义了数据传输的规则，包括START条件、STOP条件、数据有效和应答机制等。每个数据传输以START条件开始，以STOP条件结束，数据按字节传输，每个接收器通过第九位进行应答。

四、地址与命令字节

地址字节

地址字节是主设备发送START条件后接收的第一个字节，其格式为：[1 0 0 1 0 A1 A0 R/W]。前五位（10010）是工厂预设的从设备地址，A1和A0是设备选择位，由ADS7828的输入引脚决定，最多可以在同一总线上连接四个具有相同预设代码的设备。最后一位（R/W）定义操作类型，‘1’表示读操作，‘0’表示写操作。

命令字节

命令字节决定了ADS7828的工作模式，格式为：[SD C2 C1 C0 PD1 PD0 X X]。其中，SD用于选择单端或差分输入，C2 - C0用于通道选择，PD1 - PD0用于电源管理，X为未使用位。

五、数据转换与读取

启动转换

当主设备对ADS7828进行写寻址并发送命令字节的第4位时，ADS7828会开启A/D转换器并开始转换。如果命令字节正确，ADS7828会返回ACK条件。

读取数据

通过对ADS7828进行读寻址（地址字节的LSB设置为1），可以接收转换后的数据。每个12位数据字以两个字节的形式返回，先发送字节0，再发送字节1。

不同模式下的读取

• F/S模式（快速或标准模式）：在读取转换数据结束后，主设备可以向ADS7828发送重复START条件，以确保后续转换的总线操作，实现连续转换。
• HS模式（高速模式）：高速模式下，代码可以逐个读取。由于转换时间的限制，ADS7828在接收到读寻址字节后会拉伸时钟，直到转换完成。为了保持在HS模式，读取序列结束时应发送重复START而不是STOP。

参考电压的开关控制

ADS7828上电时，内部参考电压默认关闭。要开启或关闭内部参考电压，需要根据命令字节中的PD1位进行设置。使用内部参考电压时，需要考虑参考电压的建立时间，以确保12位的转换精度。

六、布局注意事项

ADS7828的基本SAR架构对电源、参考、接地连接和数字输入上的毛刺或突然变化较为敏感，因此在物理布局时需要特别注意：

• 电源处理：为ADS7828提供干净且经过良好旁路的电源，在靠近器件的位置放置0.1μF陶瓷旁路电容。如果+VDD与电源之间的连接阻抗较高，可能还需要1μF至10μF的电容。
• 接地设计：将GND引脚连接到干净的接地点，理想情况下应使用专门为转换器和相关模拟电路设计的模拟接地平面。避免将其连接到靠近微控制器或数字信号处理器的接地点。

七、应用领域

基于其出色的性能和特性，ADS7828在多个领域有着广泛的应用：

• 电压监测：用于电源电压监测，确保系统电源的稳定性。
• 数据采集：在隔离数据采集和远程数据采集系统中，实现模拟信号的准确采集。
• 传感器接口：作为传感器与数字系统之间的接口，将传感器输出的模拟信号转换为数字信号。
• 电池供电系统：低功耗特性使其非常适合电池供电的设备，延长电池使用寿命。

八、总结

ADS7828以其多通道、高采样率、低功耗、灵活的接口和宽电压范围等优势，成为了电子工程师在数据采集应用中的理想选择。在使用过程中，我们需要深入理解其工作原理、电气特性和接口协议，合理布局电路，以充分发挥其性能优势。同时，要注意参考电压的选择和处理，以及不同模式下的数据读取方法，确保系统的准确性和稳定性。希望通过本文的介绍，能帮助大家更好地掌握ADS7828的使用，为电子设计带来更多的便利和创新。

你在使用ADS7828或其他类似ADC时遇到过哪些有趣的问题或挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。