一、 概述

ADS8688是一款由Texas Instruments（德州仪器）推出的高精度、多通道、16位逐次逼近型(SAR)模数转换器(ADC)，集成了八路输入通道，支持多种输入模式和采样速率，广泛应用于工业自动化、过程控制、测试测量等领域。该器件提供了优秀的线性度和噪声性能，具有灵活的输入配置，可满足多种应用场景对高精度数据采集的需求。

二、 产品特点

1. 高分辨率与高线性度：ADS8688内部采用16位SAR架构，保证了各通道间出色的一致性和精准性，典型INL(积分非线性误差)在±1 LSB以内。

2. 八路输入：集成八个差分或单端输入通道，可灵活配置为多路差分或单端测量，降低了外部开关矩阵的成本。

3. 可编程采样速率：支持最高500 kSPS的采样速率，可根据功耗和带宽需求动态调整。

4. 电压参考：内部集成2.5 V基准电压源，同时提供外部参考输入接口，可选用更高精度的外部基准以提升整体性能。

5. 低功耗设计：在高性能模式下典型功耗为7.5 mW/通道，节能特性适用于电池供电或功耗敏感场合。

6. 数字接口：支持SPI兼容的串行接口，最高数据速率可达50 MHz，便于微控制器或FPGA快速读取数据。

7. 多种工作模式：提供连续采样模式、单次转换模式和扫描模式，用户可根据应用场景灵活选用。

三、 内部架构与工作原理

1. 采样保持电路：每路输入通道配备采样保持电容，通过多路复用开关选择通道，并在转换开始前对输入信号进行采样和保持。

2. 逐次逼近寄存器(SAR)：ADC核心采用SAR架构，通过比较电容阵列不断缩小电压误差，实现二分逼近，最终输出16位数字码。

3. 电容DAC阵列：采用高精度金属薄膜电容阵列，保证了转换的线性和温漂稳定性。

4. 统一参考和时钟管理：内部参考基准电压与时钟分配电路相结合，可提供低抖动、高稳定性的时钟信号，确保数据采集的准确性。

四、 关键参数详解

1. 分辨率：16位；最高量化误差为±0.5 LSB。

2. 输入范围：±VREF (内部2.5 V参考)；单端模式下可测量0~2.5 V。

3. 总谐波失真(THD)：-80 dB (典型值)。

4. 信噪比(SNR)：90 dB (典型值 @100 kSPS)。

5. 绝对精度：包括偏移误差、增益误差和线性度误差，典型值小于±2 LSB。

6. 温度范围：-40°C至+125°C。

7. 功耗：7.5 mW/通道 @250 kSPS；5 mW/通道 @100 kSPS。

五、 输入引脚配置与连接

1. 差分输入：每路差分对由AINx+与AINx-组成，可测量双端信号，抑制共模干扰。

2. 单端输入：将负端接地，可用于传统单端测量，需要注意噪声和地环路。

3. 电源与参考：AVDD供电范围为3.0 V~5.25 V；REF引脚可外接高精度基准。

4. 数字接口：SPI接口包括CS, SCLK, DIN, DOUT等，引脚布局简洁。

六、 工作模式与寄存器配置

1. 连续采样模式：自动循环扫描所选通道，适用于实时监控。

2. 单次转换模式：通过写入寄存器触发单次采样，适合低速或间歇测量。

3. 扫描模式：配置通道序列，可自定义通道扫描顺序。

4. 中断与状态寄存器：支持转换完成标志和多种错误状态指示，便于上层软件管理。

七、 典型应用场景

1. 工业自动化：现场总线接入、PLC、DCS系统的数据采集单元。

2. 过程控制：温度、压力、流量等物理量的精密测量。

3. 测试与测量设备：示波器、电子负载、功率分析仪等对多通道高精度采样的需求。

4. 电池管理系统(BMS)：多路电压监测，提高电池包安全性。

5. 物联网(IoT)端节点：传感器网关与边缘计算模块。

八、 PCB布局与设计注意事项

1. 接地与电源：采用星型接地和多点去耦，避免数字与模拟地环路。

2. 布局：将ADC与模拟信号源和参考靠近，减少走线长度和串扰。

3. 滤波：在输入端增加RC滤波网络或EMI滤波器，提高抗干扰能力。

4. 参考稳压：使用低漂移、高PSRR的基准源，确保ADC精度。

九、 软件驱动与示例代码

1. 寄存器映射：详细介绍寄存器地址、位定义及配置过程。

2. 初始化流程：配置参考基准、采样速率、通道序列、工作模式等。

3. 数据读取：SPI时序图与C语言伪代码示例。

4. 校准算法：偏移校准与增益校准方法，结合软件校正提高系统精度。

十、 性能评估与测试方法

1. 静态性能测试：偏移误差、增益误差、线性度和漂移测试。

2. 动态性能测试：信噪比、总谐波失真、动态范围测试。

3. 温度特性：在不同温度下测试精度变化曲线。

4. 抗干扰测试：电源纹波、外部噪声注入对性能的影响评价。

十一、 与同类产品对比

介绍市场上常见8通道16位ADC（如AD7698、MAX11198等）在性能、接口、功耗、成本方面的差异，为方案选型提供参考。

十二、 封装与采购信息

1. 封装形式：TQFP-48。

2. 封装尺寸：7 mm × 7 mm。

3. 采购渠道：TI官网、授权代理商及电子商务平台。

4. 报价区间：参考市场行情，约5~10美元/片。

十三、 常见故障排查

1. 无数据输出：检查CS引脚拉低、时钟信号及参考电压。

2. 数据不稳定：排查电源噪声、参考电源和地线布线。

3. 精度不达标：优化滤波与校准方案。

十四、 未来发展趋势

随着工业4.0和智能制造的发展，对更高通道数、更高分辨率、更低功耗ADC的需求不断增长，TI和其他厂商正持续推出多路、混合信号集成度更高的ADC器件，以及集成数字预处理功能的智能采集芯片。

十五、 生态系统支持与工具链

1. 评估模块(EVM)：TI 提供 ADS8688EVM 评估板，可快速验证 ADC 性能。EVM 板集成了前端模拟电路和 SPI 接口，通过 USB 转串口与 PC 连接，配套 GUI 软件支持实时波形显示、参数配置与数据导出。

2. 软件与驱动库：TI Resource Explorer 中可下载 ADS8688 的 C/C++ 驱动库与示例代码，包含 Linux 与裸机环境下的移植指导，简化嵌入式系统开发流程。

3. SPICE 模型与模拟：TI 官网提供 ADS8688 的 LTspice 模拟模型，支持在电路设计前进行信号链仿真，评估滤波器、运放和参考源的耦合效应。

4. 参考设计与应用笔记：TI 发布多篇应用笔记（Application Note），如 AN-241 系列文档，涵盖高速 ADC 布局、抗混叠滤波设计、低噪声参考方案等最佳实践。

5. 社区与技术支持：TI E2E 论坛拥有活跃的讨论板块，工程师可在 ADS8688 板块咨询使用经验、故障分析与优化建议；TI 官方技术支持提供在线答疑与定制解决方案。

6. 第三方生态：合作伙伴如 Altium、Cadence 提供 ADS8688 器件库，便于在主流 PCB 设计软件中快速调用；Matlab/Simulink 支持 ADC 数据处理与算法开发。

十六、 常见应用案例

1. 案例一：XYZ生产线温度监控系统
   在某电子制造工厂的XYZ生产线上，需对10个关键节点的温度进行实时监控，要求精度±0.1°C。方案选用ADS8688的8路差分输入模式，每通道连接PT100铂电阻温度传感器，经前端信号调理后输入ADC。系统采用内部2.5 V参考和250 kSPS采样率，配合软件滤波和多点温度校准，最终实现了±0.05 °C的温度测量精度，并通过实时以太网将数据上传至DCS系统。

2. 案例二：电池管理系统(BMS)多路电压监测
   在电动汽车BMS设计中，需监测单体电池电压并保证安全阈值检测。使用ADS8688的单端输入模式，对8节电池组电压进行采样。外接高精度2.048 V参考，通过增益放大电路将电池组电压映射到0–2.5 V范围内，采样速率设置为100 kSPS，以降低功耗。系统配合硬件滤波和软件限幅校正，实现了±2 mV的电压测量精度，满足BMS过充、过放保护需求。

3. 案例三：高精度功率分析仪信号采集
   在某功率分析仪产品中，需要同时采集电压、电流和功率因素信号。ADS8688的多通道差分输入与FPGA协同工作，将电流互感器输出和电压互压器经过抗混叠滤波后输入ADC。利用500 kSPS的高采样率，对50 Hz及高次谐波分量进行精确测量，结合FPGA内部DSP算法，实时计算THD和谐波含量，测试误差低于0.01%。

十七、 设计实例：基于ADS8688的信号采集板

1. 设计目标与需求分析

• 支持8路差分或单端输入，输入范围±2.5 V；

• 分辨率16位，采样速率可调；

• 提供SPI接口，兼容主控MCU/FPGA；

• 考虑PCB尺寸和成本，整体板卡尺寸不超过80×100 mm。

2. 硬件电路设计

• 输入通道：每通道前端采用OP07运放构成缓冲和增益调整电路，配合RC抗混叠滤波，截止频率约20 kHz；

• 电源与参考：AVDD使用LDO稳压至5.0 V，REF引脚接入ADR4525外部基准，PSRR>80 dB；

• 时钟电路：采用外部晶振10 MHz，经过LVCMOS缓冲驱动ADC时钟输入；

• 数字接口：CS、SCLK、DIN、DOUT共四线SPI，DIO复用用于中断信号指示。

3. PCB布局与走线

• 模拟与数字区域分区布局，ADS8688与参考源和输入接口靠近，数字接口远离模拟部分；

• 模拟地与数字地分开走线，最终在ADC地引脚附近星形汇合；

• 在电源和参考旁多点去耦，输入滤波器元件贴近ADC引脚。

4. 软件驱动与测试流程

• 驱动初始化：配置REFBUF使能、设置采样模式与速率、配置扫描通道序列；

• 数据读取：通过DMA方式读取16位数据，减少MCU负载；

• 校准与补偿：软件内实现自校准命令，读取零点和满量程校准寄存器并对采集结果进行校正；

• 性能验证：使用标准信号源和精密多用表进行静/动态性能测试，记录INL、DNL、SNR和THD指标。

十八、 校准与长期稳定性

在高精度测量系统中，定期校准对于保持ADS8688性能至关重要。校准流程通常分为内部自校准和外部标准源校准两部分：

1. 内部自校准：通过向内部参考基准或预设的校准寄存器写入命令，触发ADC内部的偏移和增益校准电路，修正因温漂或电源波动产生的误差。TI官方文档建议每次上电或温度变化超过±10°C时执行一次内部校准。

2. 外部标准源校准：使用校准级精密电压源（如校准台或多路电压标准器），在0 V、满量程及多个中间点（如25%、50%、75%）下，对各通道采样结果与标准值进行对比，计算并更新软件补偿系数。外部校准周期建议为一个月一次，或根据系统精度要求灵活调整。

长期稳定性方面，ADS8688在-40°C至+125°C范围内具有优异的温度漂移控制。通过温度循环测试（-40°C→+25°C→+125°C→+25°C）后，多通道的偏移漂移小于±1 LSB，增益漂移小于±2 ppm/°C。建议在极端温度应用中结合环境温度监测和动态校准机制，确保测量精度。

十九、 安装与安全注意事项

1. ESD防护：ADS8688内部敏感电容阵列对静电放电特别敏感。PCB上应在所有模拟输入和数字接口处添加TVS二极管以及适当的串联限流电阻，满足IEC61000-4-2 8 kV接触放电的防护要求。

2. 热管理：在高采样率（≥250 kSPS）和高通道并行工作时，ADC及LDO可能产生较大热量。推荐在器件底部添加散热铜箔，并确保信号采集板整体热阻低于50°C/W；必要时可加装微型风扇或散热片。

3. 供电与去耦：AVDD和DVDD分别供电，避免公共供电引起的数字噪声向模拟电路耦入。建议每个电源引脚配备0.1 μF和4.7 μF组合去耦电容，并靠近器件引脚布置。

4. EMI抑制：高速SPI信号上应增加中等至高速共模扼流圈，降低辐射干扰；模拟输入通道可在RC滤波器后接入铁氧体滤芯，抑制高频噪声。

二十、 参考文献

1. Texas Instruments, ADS8688 Datasheet, SLOS962, Rev. R, April 2024.

2. Texas Instruments, Precision Analog Design Guide, SBAA223, March 2023.

3. John H. Davies, Precision Electronic Temperature Measurement, 2nd Edition, Wiley, 2018.

4. Analog Devices, ADC Performance Characterization and Calibration, Technical Note AN-756, 2020.

5. IEC 61000-4-2, Electrostatic Discharge Immunity Test Standard, Edition 3.2, 2015.

二十一、 附录：寄存器列表与配置示例

示例代码片段（C语言）：

// 配置250 kSPS采样率，连续扫描8通道
write_register(0x00, 0x2A00);
write_register(0x01, 0x00FF);

// 启动内部自校准
write_register(0x02, 0x0001);
while (read_register(0x03) & 0x01);

// 读取第3通道数据
uint16_t raw = read_channel_data(2);
float voltage = (raw / 65535.0f) * 2.5f;

至此，本文对ADS8688的结构原理、关键参数、典型应用、设计实例、校准与维护、安全注意事项及寄存器配置等进行了全面论述，为高精度多通道数据采集系统提供了完整的技术参考。