AD7739：8通道高吞吐量24位Σ-Δ模数转换器详解
AD7739是一款高精度24位Σ-Δ模数转换器（ADC），支持多达8个差分输入通道。该器件适用于对精度与吞吐量有较高要求的应用场景，例如工业自动化、医疗设备以及高端数据采集系统。其最大采样率可达1400 SPS，并具备出色的动态范围，从而在各种环境条件下均能保持稳定可靠的性能。
电路架构概述
AD7739专为需要宽动态范围、低频信号采集的工业过程控制、仪器仪表及PLC系统所设计。其核心模块包括输入多路复用器、差分输入缓冲器、Σ-Δ调制器、数字滤波器、时钟振荡器、数字I/O端口以及串行通信接口。
模拟输入配置
该ADC具备九个模拟输入引脚，通过内部多路复用器与Σ-Δ调制器相连。前端可灵活配置为八个单端输入、四个差分输入，或两者的任意组合，具体由通道设置寄存器定义。
AD7739配备了一个宽带、快速建立的输入缓冲器，能够稳定驱动调制器的动态负载。当内部缓冲器启用时，模拟输入端具有高阻抗特性。
在多路复用或切换通道的过程中，输入缓冲器与多路复用器内部电容会引入动态充电电流。电容值约为10 pF。每次转换开始前，系统会预留一定延迟以确保电容完成充电。
若外部源阻抗不超过50 kΩ，该充电过程不会对16位精度以下的测量结果造成影响。为减少多路复用过程中的通道间串扰和误差，建议在模拟输入端配置低阻抗的RC低通滤波器，推荐参数为100 Ω与100 nF。
多路复用器输出端的平均直流电流可由以下公式估算：
其中，CMUX为多路复用器输出电容（约10 pF），VMUX为两次连续转换之间的电压差，最大可达5 V，fS为通道采样频率。
Σ-Δ调制器结构与性能
AD7739采用电荷平衡式Σ-Δ调制器架构，配合数字滤波器，可实现快速、稳定的模拟到数字转换。该设计支持高速通道切换，同时具备高线性度、高分辨率和低噪声等特性。
斩波功能详解
当斩波功能启用时，多路复用器会交替翻转输入信号，使每次转换包含正、负偏移项。系统通过对两次转换结果求平均，有效抵消输入缓冲器及调制器中的偏移误差。图1展示了启用斩波模式下的信号链路径。
图1. 启用斩波功能的信号链结构
转换时序与数据输出机制
通道转换周期包括稳定、采样和缩放阶段。在斩波模式下，每个转换周期开始于43至44个MCLK周期的稳定阶段，随后进行采样和反向采样，最终完成数据缩放并写入寄存器。
当斩波功能禁用时，转换仅包含一次采样，周期更短。在缩放阶段，RDY引脚会变为高电平，状态寄存器的RDY位也被置位。当数据更新完成后，RDY引脚自动拉低，若处于连续转换模式，则自动进入下一通道。
每个通道的转换时间及斩波设置均可独立配置，总吞吐量由所有启用通道的转换时间决定。
频率响应特性
Σ-Δ调制器的运行频率为MCLK的1/2，即为采样率。因此，奈奎斯特频率为MCLK的1/4。
在斩波模式下，系统会对输入信号进行二次重采样，从而在接近通道采样频率的区域形成频响凹口。图4与图5分别展示了斩波与非斩波模式下的典型频率响应曲线。
图4. 斩波模式下典型频率响应
图5. 非斩波模式下典型频率响应
频率响应图已归一化至通道采样频率，适用于各个通道，并基于单通道的转换时间。
模拟输入的过量程处理
AD7739的数据输出范围与标称输入电压一致。当输入信号超出标称范围时，尽管ADC仍能工作，但性能可能下降。调制器设计允许在16%的过量程范围内正常运行，超过该范围性能将进一步恶化。
当模式寄存器中的钳位位（clamp）被置为1时，若输入电压超出标称范围，数据寄存器将被置为全0或全1。
若clamp位为0，则输出数据反映实际输入电压，需结合通道状态寄存器的符号位和OVR位共同解码。
通道状态寄存器中的OVR位用于指示调制器是否处于过量程状态，而非AIN引脚是否超出绝对电压限制。
参考电压检测机制
AD7739具备片上参考电压检测电路。当REFIN(+)与REFIN(-)之间的电压低于0.5 V（典型NOREF触发阈值）且转换正在进行时，通道状态寄存器中的NOREF位将被置位。
数字输入/输出端口功能
P0引脚可配置为通用数字输出或模拟输入，而P1引脚（SYNC/P1）可用作通用数字I/O或系统同步信号。
当同步位被激活且SYNC引脚为低电平时，ADC将暂停所有转换活动。在单次或连续转换模式下，设备会等待SYNC引脚变为高电平后才开始转换。
SYNC引脚在输入模式下必须保持明确的高/低电平状态，其电压参考为模拟电源。
校准功能详解
AD7739支持零点与满量程自校准，可有效消除偏移误差与增益误差。转换结果在写入寄存器前，会根据校准寄存器进行缩放。
对于单极性输入范围，数据计算方式为：
数据 = ((ADC结果 - R × ADC零点校准寄存器) × ADC满量程寄存器 / (0x20 0000) - R ×通道零点校准寄存器) × 通道满量程校准寄存器 / (0x20 0000)
对于双极性输入范围：
数据 = ((ADC结果 - R × ADC零点校准寄存器) × ADC满量程寄存器 / (0x40 0000) + (0x80 0000) - R × 通道零点校准寄存器) × 通道满量程校准寄存器 / (0x20 0000)
其中，R根据输入范围设定为1或2。校准寄存器格式包含符号位与22位偏移值。
校准过程由模式寄存器启动，完成时校准寄存器更新，RDY位置位，SYNC引脚拉低，系统恢复空闲状态。校准周期与转换时间一致，时间越长，噪声越小，精度越高。
ADC零点自校准
该功能用于减小斩波禁用模式下的偏移误差，尤其在温度变化后重复执行，可进一步降低偏移漂移。
校准基于内部短接的输入通道，共模电压由负输入端确定。建议仅在零点自校准时更新相应寄存器。
ADC满量程自校准
用于减少+2.5 V及±2.5 V输入范围内的满量程误差。若在温变后重复执行，还能减少漂移。
该校准基于内部生成的满量程参考电压，适用于+2.5 V输入范围。对于±1.25 V及±0.625 V等范围，因需外部精确电源，不建议使用。
若在任意通道使用1.25 V或0.625 V量程，不建议进行满量程校准。若需高精度增益，应执行系统满量程校准。
仅在+2.5 V或±2.5 V输入范围内执行ADC满量程校准时，才更新相关寄存器。
通道级系统校准
针对每通道的系统偏移与增益误差，系统校准可在温变后重复执行以减少漂移。
建议按顺序执行零点与满量程校准。系统校准受ADC自校准影响，因此应在自校准完成后再执行。
在执行校准前，需在通道设置寄存器中设定输入范围。校准输入信号需为完全稳定的状态。
各通道的校准寄存器支持读取、修改和写回。校准寄存器的更新需在设备空闲状态下进行。超出校准范围的操作可能导致性能下降。
典型应用连接
图6展示了AD7739在实际应用中的典型连接方式，包括电源、参考电压、输入信号及通信接口。
图6. AD7739典型应用连接图