ADS8689 数据手册

1. 产品概述

ADS8689 是德州仪器（TI）推出的一款高性能、低功耗的16 位多通道逐次逼近型模数转换器（SAR ADC），集成了高精度电压参考、多路输入复用器及高速采样保持电路。器件通过先进的工艺制程和优化的电路布局，实现了在宽温度范围内稳定运行，同时兼顾了精准度和动态性能，使其在工业自动化、数据采集、传感器读出、通信基站、测试测量设备等应用中表现出色。ADS8689 支持多达八路差分或单端输入，可通过内部复用器快速切换通道，无需外部多路开关，大幅简化系统设计。器件最大采样速率可达 200 kSPS，内部提供可编程采样模式，适配单次转换与连续扫描需求；同时，内置精密的 2.5 V 基准电源，温度系数低于 2 ppm/°C，典型初始准确度达 ±0.1%，可确保测量结果在长期运行中的一致性。通过 SPI 总线与主控器件通信，兼容多种时钟相位和极性设置，接口灵活易用。ADS8689 还具备自动校准功能，能够在上电或特定转换次数后自动校正内部失配，进一步减少整体系统误差。凭借出色的性价比和稳定可靠的性能，该器件已广泛应用于高精度数据采集、过程控制和智能监测等场景。

2. 主要特性

• 高分辨率与高线性度

ADS8689 提供 16 位分辨率，使用逐次逼近寄存器架构，大幅降低了转换时间与功耗，并在满量程范围内实现优异的直线度。典型无失调误差（INL）与无游移误差（DNL）均小于 ±1 LSB，可满足各类高精度测量需求。

• 多通道输入与快速复用

器件内置八路差分或单端输入通道，通过片内多路复用器实现通道切换，无需外部多路复用器，减少电路板面积和系统成本。通道复用开关延迟极短，保证了快速扫描时的稳定性和准确度。

• 高采样速率与灵活模式

支持 最高 200 kSPS 的采样速率，适用于高速数据采集场景。用户可根据应用需求，通过寄存器配置实现单次转换模式或连续扫描模式，并可选择不同采样时钟分频，以平衡带宽与功耗。

• SPI 接口与灵活通信

兼容标准四线 SPI 通信协议，最高时钟频率可达 50 MHz。支持多种时钟相位（CPHA）和极性（CPOL）设置，并提供片选（CS）管脚，可与多种主控器件（MCU、DSP、FPGA）无缝集成。

• 内置高精度基准电源

集成 2.5 V 精密参考电源，典型精度 ±0.1%，温漂不超过 2 ppm/°C，有效降低外部参考源误差对系统性能的影响。用户可通过使能脚选择使用内部或外部参考。

• 低功耗设计与自动校准

在 200 kSPS 高速模式下，功耗典型为 7.5 mW；在低速模式下，功耗进一步下降，适合电池供电和便携式测量系统。器件上电或转换次数达到设定值后，可自动进行内部失配校准，确保长期运行下的测量一致性。

3. 引脚配置与功能说明

• VDD

数字电源输入引脚，输入电压范围为 2.7 V 至 5.5 V。该引脚为内部数字逻辑、寄存器和 SPI 接口提供电源，建议在 VDD 引脚与地之间并联适当大小的高频和低频电容，以确保电源稳定性和抑制噪声。

• VREF

基准电压输入/输出引脚。器件内部参考使能时，VREF 输出精密 2.5 V 电压；如需外部参考，可通过设置寄存器模式将 VREF 配置为参考输入端，兼容范围 2.0 V 至 3.6 V，以满足不同系统对参考电压的需求。

• AIN0~AIN7

模拟输入通道引脚，共八个。支持差分输入（AINx 与 AIN(x+4) 配对）与单端输入模式，可通过配置寄存器选择输入类型。输入结构采用采样保持电路，可自动对输入信号进行采样并在转换期间内部隔离，以降低输入信号源阻抗带来的精度误差。

• SCLK/MCLK

串行时钟输入引脚，为 SPI 通信提供时序基准。用户可根据系统时钟性能需求，将 SCLK 设置在 0 至 50 MHz 范围内，SPI 时钟极性和相位参数可编程，以适配不同主控设备的时序要求。

• SDI

串行数据输入引脚。主控设备在转换周期开始前，通过 SDI 向 ADS8689 写入控制字和寄存器地址，用于配置通道选择、转换模式和参考源等参数。

• SDO

串行数据输出引脚。在每次转换完成后，ADC 将 16 位转换结果通过 SDO 以 MSB 先行的方式输出，主控器件可根据时钟和片选信号时序读取完整数据。

• CS

片选控制引脚，低电平有效。当 CS 引脚为低电平时，器件进入激活状态并准备接收/输出数据；在高电平时，内部数字电路进入待机状态，以进一步降低功耗并防止总线冲突。

4. 功能框图

ADS8689 的内部功能框图清晰展示了器件各模块之间的信号流动与逻辑关系。首先，外部模拟信号通过多路复用器进入采样保持电路，保持电路由高带宽采样开关与储能电容组成，能够快速对输入信号进行采样并锁存电压值。锁存后的信号首先进入采样放大器级，以提高信号驱动能力并隔离后续的比较器噪声。随后，逐次逼近寄存器（SAR）核心开始工作：SAR 逻辑控制数字比较器，依次对电容阵列充放电，比较器输出结果反馈给 SAR 逻辑以修正内部 DAC 电平。经过 16 次采样与比较闭环后，SAR 逻辑生成最终的数字码。该数字码通过输出寄存器暂存，并在时钟沿触发下经 SPI 接口（SDO 引脚）传输至外部主控。整个过程具备极低的时钟抖动敏感度与开关噪声，以保证高精度转换。

5. 工作原理及内部架构

ADS8689 采用逐次逼近型（SAR）架构，它在功耗、性能和实现复杂度之间取得了良好平衡。其基本工作流程如下：

1. 采样保持：在采样周期开始时，模拟多路复用器根据配置寄存器的通道选择信号连接对应输入通道；采样开关导通，将输入信号加载到内部采样电容上，并在后续比较阶段保持该电压值。

2. 逐次逼近转换：内部 SAR 逻辑首先将 DAC 电容阵列的最高权重电容充至 VREF/2，并与采样保持电容电压进行比较；比较器输出决定该位的取值。之后 SAR 逻辑根据比较结果更新电容电荷，依次调整下一个权重电容，重复 16 次，直至完成全部位的判决。

3. 数字输出：SAR 逻辑完成所有位判断后，将结果写入输出寄存器。主控设备在 SPI 时钟沿下，通过拉低 CS 并驱动 SCLK，从 SDO 引脚按 MSB 到 LSB 顺序读取 16 位转换结果。

4. 自动校准与校正：ADS8689 内置自校准功能，在上电或用户设置的转换周期间隔后，内部将依次进行偏置校准与增益校准。具体来说，器件在内部短接输入与 VREF，通过内部通道测量与理想值的偏差，自动调整寄存器偏置与倍率系数，以补偿电路失配和环境漂移影响。

5. 数字控制与寄存器接口：除了基本转换功能外，ADS8689 的 SPI 接口还可用于配置转换模式、参考源选择、通道扫描顺序、功耗模式切换等。内部寄存器映射清晰，写读操作仅需 24 位控制字，通过 SDI 输入并在同一 SPI 周期内更新设置。

6. 性能参数及规格

为了精准评估 ADS8689 的性能指标，以下列举关键参数并结合典型值与应用场景进行说明：

• 分辨率与精度

  器件提供 16 位分辨率，对应满量程 (FSR) 的 65,536 个离散电平。典型无失调误差（Offset Error）小于 ±1 LSB，无失真误差（DNL）和无积分非线性误差（INL）均优于 ±1 LSB。该精度水平在精密测量、温度传感及低速控制系统中表现卓越，能够分辨微小信号变化。

• 动态性能

  在 200 kSPS 采样速率下，典型总谐波失真（THD）为 -98 dB，总谐波与噪声比（THD+N）优于 98 dB，信噪比（SNR）达到 96 dB。无杂散动态范围（SFDR）可达 110 dB，满足无线通信和频谱分析系统对动态范围的高要求。

• 温度漂移与工作温度

  器件温度系数 (TC) 经优化设计，参考源温漂低于 2 ppm/°C。ADC 精度在 -40°C 至 +125°C 范围内保持稳定，无需外部温度补偿电路，即可应用于工业级环境。

• 电源电流与功耗

  在 200 kSPS 模式下，数字电源电流典型值为 3 mA，模拟+参考电源电流约 3 mA，整体功耗典型 7.5 mW。用户可将器件置于待机模式，关闭采样电路与参考，功耗降至微安级，适合电池供电场景。

• 输入范围与阻抗

  模拟输入通道支持 ±VREF 范围，单端模式下输入电压范围为 0 至 VREF，差分模式下为 ±VREF。输入阻抗约 3 kΩ（典型），并提供输入放大器以降低源阻抗对精度的影响。

• 时序与吞吐量

  通过可编程分频器，支持不同的采样时钟分辨率设置，使吞吐量与带宽达到最优平衡。最大转换延迟小于 5 µs，可满足实时系统对快速响应的需求。

7. 典型应用电路

下面给出三个典型示例，以帮助读者在不同场景中快速集成 ADS8689：

• 工业过程控制与数据采集

  在 PLC 或分布式控制系统中，用于采集各种模拟传感器（温度、电流、电压）的信号。典型电路包括传感器信号经精密运算放大器隔离后连接至 ADS8689 输入通道，多通道复用器使系统能够轮流扫描多路现场信号。

• 桥式传感器测量

  应用于压力传感器、称重传感器等桥式器件。通过前端差动放大器将微弱差分信号提升至适用于 ADC 的电平，并经过 RC 滤波后输入，充分利用 ADS8689 的差分输入和高分辨率优势，实现微伏级别测量。

• 通信基站监测与频谱分析

  在无线通信基站中，用于监控射频功率或环境噪声。结合高速采样与高动态范围特性，可将射频检测器输出经过带通滤波与包络检波后输入 ADS8689，实现实时功率监测与告警。

8. 电气特性曲线

在设计阶段，参考电气特性曲线能够帮助工程师快速评估器件性能：

• INL 与 DNL 曲线：展示在满量程范围内非线性误差随输入电压变化的曲线，可用于评估系统线性度余量。

• SNR 与 THD+N 随采样速率曲线：显示在不同采样速率下信噪比与谐波噪声比的变化趋势，帮助平衡速度与精度。

• 功耗随采样模式变化曲线：包含连续模式、单次模式与待机模式下的功耗曲线，为低功耗设计提供依据。

• 参考电压输出精度随温度变化曲线：反映内部参考在全温度范围内的输出稳定性，可用于评估系统对温度漂移的容忍度。

9. 布局与布线建议

在高精度 ADC 设计中，PCB 布局与布线往往是影响系统性能的关键因素之一。为了最大限度降低噪声耦合、串扰和地弹等问题，以下是一些实用的布局与布线建议：

• 模拟与数字地分离
  将模拟地（AGND）与数字地（DGND）分开走线，避免数字开关电流对模拟地的干扰。在芯片附近设置星形接地点，将两者在电源入口处汇合。

• 电源去耦与滤波
  在 VDD、VREF 及模拟输入通道旁紧邻布置去耦电容。建议在 VDD 引脚与地之间并联一个 0.1 μF 陶瓷电容和一个 10 μF 低漏电电解电容；在 VREF 引脚处添加高精度 1 μF 陶瓷电容，以保证基准源的稳定性。

• 输入信号走线优化
  对差分输入信号使用平衡走线，保持走线宽度和间距一致，避免外部 EMI 干扰。在靠近 ADC 输入端放置小信号 RC 滤波网络，以衰减高频噪声并防止采样开关尖峰。

• 数字信号与模拟信号分层走线
  在多层板设计中，将模拟信号层和数字信号层分开，尽量将高速 SPI 时钟线、片选线和数据线布置在数字层，并在数字层和地层之间留足铜皮。

• 散热与机械布局
  ADS8689 的功耗虽低，但当多路高速转换时仍会产生一定热量。建议在芯片下方留出通孔或铜箔散热区，并在 PCB 边缘预留风道，以增强散热效果。

10. 封装信息与机械尺寸

ADS8689 提供紧凑的 TSSOP-28 封装，封装表面平整，焊盘易于波峰焊或回流焊工艺。下表列出封装关键尺寸：

• 引脚数：28

• 封装类型：TSSOP

• 引脚间距：0.65 mm

• 封装宽度：6.4 mm（最大）

• 封装长度：9.7 mm（最大）

• 封装高度：1.2 mm（最大）

另外，推荐焊盘尺寸为 0.4 mm × 1.2 mm，且焊盘间距保持 0.65 mm，以确保良好的焊接可靠性和可重复装配性能。

11. 环境及可靠性测试

为满足工业级应用要求，ADS8689 在设计和生产过程中需通过一系列环境与可靠性测试：

• 温度循环测试（Thermal Cycling）
  将封装器件在 -65°C 至 +150°C 温度范围内循环多次，以验证封装和内部焊接可靠性。

• 高温存储测试（High-Temperature Storage）
  在 150°C 下持续存储 1000 小时，评估封装材料和内部电路的长期稳定性。

• 高加速应力测试（HAST）
  在 130°C、85% 相对湿度条件下施加加速应力，检测器件的密封性和防潮性能。

• 振动与机械冲击测试
  模拟实际运输和现场使用中的机械冲击与振动，以确保器件在各种环境中的机械强度。

• 寿命可靠性测试（Life Test）
  按照 JEDEC 标准，评估长期连续工作时的电气性能漂移，包括偏置、增益和噪声指标的变化。

12. 常见问题及故障排查

以下列举一些设计和调试过程中可能遇到的问题及解决方法：

• 问题：读取数据不稳定或噪声较大
  原因：模拟地与数字地未分离，EMI 干扰。
  解决方法：重新规划地线走向，采用星形接地，并在关键节点增加滤波。

• 问题：基准电压不稳定
  原因：VREF 去耦不足或外部参考未与内部参考正确切换。
  解决方法：增大 VREF 附近去耦电容容量，检查寄存器设置以确认内部/外部参考模式。

• 问题：采样速率达不到预期
  原因：SPI 时钟频率或时序设置有误。
  解决方法：确认 SCLK 频率和 SPI 时序参数（CPOL/CPHA）与寄存器配置一致。

• 问题：温度漂移超出规格
  原因：环境温度补偿不足或器件工作超出额定温度范围。
  解决方法：在关键测量链路增加温度传感器并进行软件校正，确保工作温度在 -40°C 至 +125°C 之间。

13. 外部资源与参考文献

• 德州仪器官方网站 ADS8689 产品页面与数据手册下载链接

• JEDEC 标准文档（JESD22）

• 《模数转换器设计与应用实用手册》, TI 应用笔记

• 《高精度 ADC 电路设计指南》, EETimes 杂志专题