AD7177-2：32位、10 kSPS Σ-Δ型ADC详细介绍

一、产品概述

AD7177-2是一款由ADI（亚德诺投资有限公司）推出的高性能模数转换器（ADC），它采用了32位Σ-Δ（Sigma-Delta）架构，具有10 kSPS（每秒千次采样）的采样速率和100 μs（微秒）的建立时间。这款ADC集成了真轨到轨缓冲器，为用户提供了卓越的性能和灵活性，特别适用于低带宽输入的应用场景。

二、产品特性

1. 高精度与高分辨率

   AD7177-2提供了高达32位的数据输出，这使其能够捕捉极其微小的信号变化。在不同采样速率下，其无噪声分辨率也有所不同：在10 kSPS采样速率下，无噪声分辨率为19.1位；在2.5 kSPS采样速率下，无噪声分辨率为20.2位；在5 SPS（每秒采样数）采样速率下，无噪声分辨率为24.6位。这种高分辨率特性使得AD7177-2非常适合需要高精度测量的应用，如过程控制、温度和压力测量等。

2. 快速且灵活的输出速率

   AD7177-2的输出数据速率范围从5 SPS到10 kSPS，用户可以根据具体应用需求选择合适的采样速率。同时，该ADC还具有快速的通道扫描速率，最大可达10 kSPS/通道（即100 μs的建立时间），这使得它能够在短时间内快速扫描多个通道，提高测量效率。

3. 用户可配置的输入通道

   AD7177-2提供了用户可配置的输入通道选项，支持2个全差分通道或4个单端通道。用户可以根据实际应用场景选择合适的输入通道配置，并通过交叉点多路复用器实现灵活的通道切换。这种可配置性使得AD7177-2能够适应更广泛的应用需求。

4. 集成真轨到轨缓冲器

   模拟输入端和外部基准电压输入端集成了真轨到轨缓冲器，这种设计提供了易于驱动的高阻抗输入。真轨到轨缓冲器能够确保信号在整个输入范围内都能得到良好的缓冲和放大，从而提高ADC的输入性能。

5. 精密内部基准电压源

   AD7177-2内置了2.5 V低漂移（±2 ppm/°C）带隙基准电压源，并带有输出基准电压源缓冲器。这种精密的内部基准电压源减少了外部元件数，提高了系统的集成度和可靠性。同时，低漂移特性确保了基准电压在不同温度下的稳定性，从而提高了ADC的测量精度。

6. 灵活的数字滤波器选项

   AD7177-2提供了三种灵活的数字滤波器选项：Sinc5 + Sinc1滤波器、Sinc3滤波器和增强型50 Hz/60 Hz抑制滤波器。用户可以根据应用中每个通道的需要选择不同的滤波器选项，以优化噪声、建立时间和抑制性能。例如，Sinc5 + Sinc1滤波器在10 kSPS及更低的输出数据速率时，可实现单周期建立；Sinc3滤波器在较低速率时可实现最佳单通道噪声性能。

7. 单周期建立模式

   AD7177-2支持单周期建立模式，通过将ADC模式寄存器的SING_CYC位设置为1，可以仅输出完全建立的数据。此模式将输出数据速率降至与选定输出数据速率的ADC建立时间相等的水平，从而实现单周期建立。这对于需要高精度和高速度的应用场景非常有用。

8. 多电源供电选项

   AD7177-2采用了多电源供电设计，包括AVDD1、AVDD2和IOVDD三个独立的电源。AVDD1为交叉点多路复用器和集成的模拟与基准输入缓冲器供电；AVDD2为内部1.8 V模拟LDO稳压器供电，该稳压器为ADC内核供电；IOVDD为内部1.8 V数字LDO稳压器供电，该稳压器为ADC的数字逻辑供电。这种多电源供电设计提高了ADC的灵活性和适应性。

9. 宽温度范围

   AD7177-2的额定工作温度范围为-40°C至+105°C，这使得它能够在各种恶劣环境下正常工作。这种宽温度范围特性使得AD7177-2非常适合工业控制、汽车电子等领域的应用。

10. 小型封装

    AD7177-2采用了24引脚TSSOP封装，这种小型封装设计使得它能够在有限的空间内实现高性能的模数转换功能。这对于需要小型化设计的应用场景非常有用。

三、工作原理

AD7177-2采用Σ-Δ（Sigma-Delta）架构实现模数转换功能。Σ-Δ架构是一种过采样技术，它通过以远高于奈奎斯特速率的采样速率对模拟信号进行采样，并利用数字滤波器对采样数据进行处理，从而实现高分辨率的模数转换。

在AD7177-2中，模拟输入信号首先经过真轨到轨缓冲器进行缓冲和放大，然后进入Σ-Δ调制器进行调制。Σ-Δ调制器通过过采样和噪声整形技术将模拟信号转换为数字信号。数字信号随后经过数字滤波器进行处理，以去除高频噪声和量化噪声，并提取出有用的信号信息。最后，处理后的数字信号通过串行接口输出给外部微控制器或DSP等处理单元进行进一步处理。

四、性能参数

1. 分辨率与无噪声分辨率

• 32位数据输出

• 19.1位无噪声分辨率（10 kSPS）

• 20.2位无噪声分辨率（2.5 kSPS）

• 24.6位无噪声分辨率（5 SPS）

2. 采样速率与通道扫描速率

• 输出数据速率范围：5 SPS至10 kSPS

• 最大通道扫描速率：10 kSPS/通道（100 μs建立时间）

3. 积分非线性（INL）

• FSR的±1 ppm

4. 50 Hz和60 Hz滤波抑制

• 85 dB抑制，建立时间为50 ms

5. 基准电压源

• 2.5 V片内基准电压源（±2 ppm/°C漂移）

6. 电源参数

• AVDD1：5 V（单电源）或±2.5 V（分离电源）

• AVDD2：2 V至5 V

• IOVDD：2 V至5 V

7. 工作温度范围

• -40°C至+105°C

8. 封装形式

• 24引脚TSSOP封装

五、应用场景

AD7177-2凭借其高性能和灵活性，在多个应用领域展现出了广泛的应用前景。以下是一些典型的应用场景：

1. 过程控制

   AD7177-2的高精度和高分辨率特性使其非常适合过程控制应用。例如，在PLC（可编程逻辑控制器）和DCS（分布式控制系统）模块中，AD7177-2可以用于监测和控制各种工业过程参数，如温度、压力、流量等。通过快速且准确地采集这些参数数据，AD7177-2有助于实现更高效的过程控制和优化。

2. 温度和压力测量

   在温度和压力测量领域，AD7177-2同样表现出色。其高精度测量能力使得它能够准确捕捉温度和压力的变化，为各种工业和科学实验提供可靠的数据支持。例如，在气象站、环境监测站等领域，AD7177-2可以用于测量大气温度和压力等参数。

3. 医疗与科学多通道仪器

   AD7177-2的用户可配置输入通道和灵活的数字滤波器选项使其非常适合医疗与科学多通道仪器应用。例如，在心电图机、脑电图机等医疗设备中，AD7177-2可以用于同时采集多个生物电信号通道的数据，并通过数字滤波器去除噪声和干扰信号，提高信号的质量和可靠性。

4. 色谱仪

   在色谱仪等分析仪器中，AD7177-2的高精度和高分辨率特性有助于实现更准确的样品分析和检测。通过快速且准确地采集色谱数据，AD7177-2可以为化学分析、环境监测等领域提供有力的数据支持。

六、电路设计与应用注意事项

1. 电源设计

   在设计使用AD7177-2的电路时，需要注意电源的设计。AD7177-2采用了多电源供电设计，包括AVDD1、AVDD2和IOVDD三个独立的电源。为了确保ADC的正常工作，需要为这些电源提供稳定且符合规格要求的电压。同时，还需要注意电源的滤波和去耦设计，以减少电源噪声对ADC性能的影响。

2. 输入信号调理

   由于AD7177-2的模拟输入端集成了真轨到轨缓冲器，因此在设计输入信号调理电路时需要注意缓冲器的驱动能力和输入阻抗匹配。为了确保信号在整个输入范围内都能得到良好的缓冲和放大，需要选择合适的输入信号调理电路和元件参数。

3. 数字滤波器配置

   AD7177-2提供了多种数字滤波器配置选项，这是其设计灵活性的重要体现。用户可以根据具体的应用需求，选择最适合的数字滤波器来优化ADC的性能。

4. 数字滤波器选项的详细介绍

• Sinc5 + Sinc1滤波器：
  这种滤波器组合在10 kSPS及更低的输出数据速率时，能够实现单周期建立。它提供了良好的噪声性能和建立时间平衡，适用于需要较快响应速度的应用场景。

• Sinc3滤波器：
  Sinc3滤波器在较低速率时能够提供最佳的单通道噪声性能。它适用于对噪声要求极高的应用，如高精度测量和科学实验等。

• 增强型50 Hz/60 Hz抑制滤波器：
  这种滤波器特别设计用于抑制50 Hz或60 Hz的工频干扰。在需要测量微弱信号且存在工频干扰的环境中，如电力监测和生物医学信号处理等，这种滤波器能够显著提高测量的准确性。

5. 数字滤波器配置方法

   AD7177-2的数字滤波器配置是通过其内部的寄存器设置来实现的。用户可以通过串行接口（如SPI接口）访问这些寄存器，并根据需要设置滤波器的类型和参数。在配置过程中，用户需要仔细阅读AD7177-2的数据手册，了解各个寄存器的功能和设置方法，以确保正确配置数字滤波器。

6. 数字滤波器对性能的影响

   不同的数字滤波器选项对ADC的性能有着不同的影响。选择合适的滤波器可以在噪声、建立时间和抑制性能之间取得最佳平衡。例如，在需要快速响应的应用中，可以选择Sinc5 + Sinc1滤波器以实现单周期建立；在对噪声要求极高的应用中，可以选择Sinc3滤波器以获得最佳的噪声性能；在存在工频干扰的环境中，可以选择增强型50 Hz/60 Hz抑制滤波器以提高测量的准确性。

7. 实际应用中的考虑

   在实际应用中，选择数字滤波器时还需要考虑其他因素，如系统的采样速率、输入信号的频率特性、噪声水平以及所需的测量精度等。用户需要根据这些因素来综合评估不同滤波器选项的优缺点，并选择最适合自己应用的滤波器配置。

8. 数字滤波器的优化

   为了充分发挥AD7177-2的性能优势，用户还可以对数字滤波器进行优化。例如，可以通过调整滤波器的参数来改善其频率响应特性，或者通过组合使用多种滤波器来实现更复杂的信号处理功能。这些优化措施可以进一步提高ADC的测量精度和响应速度。

AD7177-2提供的多种数字滤波器配置选项为其在各类应用中的灵活性和适应性提供了有力支持。用户可以根据具体的应用需求选择最适合的数字滤波器来优化ADC的性能，从而实现更精确、更快速的测量和信号处理。