目录 特性...1 功能框图...1 概述...1 产品聚焦...1 修订历史...2 技术规格...3 I 2 C 时序规格...5 绝对最大额定值...6 热阻...6 ESD 警告...6 引脚配置和功能描述...7 典型工作特性...8 术语...11 电路信息...12 转换器操作...1

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1 内置温度传感器的 8 通道 I 2 C 12 位 SAR 型 ADC AD7291 特性 12 位 SAR ADC 8 个单端模拟输入通道模拟输入范围 :0 V 至 2.5 V 12 位温度 - 数字转换器温度传感器精度 :±1 C( 典型值 ) 通道序列器工作模式额定电压 (V DD ):2.8 V 至 3.6 V 逻辑电压 :V DRIVE = 1.65 V 至 3.6 V 2.5 V 内部基准电压源 I 2 C 兼容串行接口, 支持标准和快速模式超量程指示 / 报警功能自动循环模式省电模式电流 :12 μa( 最大值 ) 温度范围 : 40 C 至 +125 C 20 引脚 LFCSP 封装 V REF V IN0 V IN7 V DD INPUT MUX PD/RST REF 功能框图 T/H TEMP SENSOR BUF AD7291 GND 12-BIT SUCCESSIVE APPROXIMATION ADC SEQUENCER CONTROL LOGIC I 2 C INTERFACE ALERT SCL SDA AS1 AS0 V DRIVE 概述 AD7291 是一款 12 位 低功耗 8 通道 逐次逼近型 ADC, 内置温度传感器 它采用 3.3 V 单电源供电, 配有 I 2 C 兼容接口 该器件内置一个 9 通道多路复用器和一个采样保持放大器, 可处理最高达 30 MHz 的输入频率 它具有 2.5 V 的片内基准电压源, 可以将其禁用以便使用外部基准电压源 AD7291 提供与 I 2 C 接口兼容的双线式串行接口 该 I2C 接口支持标准和快速 I 2 C 接口模式 AD7291 在不转换时通常保持部分省电状态, 仅在执行转换操作时上电 转换过程可受命令模式或自动循环模式控制, 在命令模式中, 每次 I 2 C 写操作都会启动一次转换, 自动循环模式则通过软件控制来选择 AD7291 内置一个高精度带隙温度传感器,12 位 ADC 对其进行监控和数字化, 以提供 0.25 C 的分辨率 AD7291 提供一个可编程序列器, 可以选择用于转换的预编程通道序列 图 1 片内限值可通过编程设置转换结果上下限 ; 当转换结果超过设置的上下限时, 超量程指示输出 (ALERT) 就会激活 此输出可用作中断 产品聚焦 1. 非常适合监控电信 过程控制和工业控制等各种应用系统中的变量 2. I 2 C 兼容型串行接口, 支持标准和快速模式 3. 不转换时自动进入部分省电模式, 实现最高功效 4. 通道序列器工作模式 5. 集成 0.25 C 分辨率的温度传感器 6. 可通过软件使能或禁用超量程指示 表 1. AD7291 和相关产品 器件 分辨率 接口 特性 AD 位 I 2 C 内置温度传感器的 8 通道 I 2 C 12 位 SAR 型 ADC AD 位 SPI 内置温度传感器的 8 通道 1 MSPS 12 位 SAR 型 ADC Rev. B Information furnished by Analog Devices is believed to be accurate and reliable. However, no responsibility is assumed by Analog Devices for its use, nor for any infringements of patents or other rights of third parties that may result from its use. Specifications subject to change without notice. No license is granted by implication or otherwise under any patent or patent rights of Analog Devices. Trademarks and registered trademarks are the property of their respective owners. One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA , U.S.A. Tel: Fax: Analog Devices, Inc. All rights reserved. ADI 中文版数据手册是英文版数据手册的译文, 敬请谅解翻译中可能存在的语言组织或翻译错误,ADI 不对翻译中存在的差异或由此产生的错误负责 如需确认任何词语的准确性, 请参考 ADI 提供的最新英文版数据手册

2 目录 特性...1 功能框图...1 概述...1 产品聚焦...1 修订历史...2 技术规格...3 I 2 C 时序规格...5 绝对最大额定值...6 热阻...6 ESD 警告...6 引脚配置和功能描述...7 典型工作特性...8 术语...11 电路信息...12 转换器操作...12 模拟输入...12 ADC 传递函数...13 温度传感器工作原理...13 温度传感器均值...13 V DRIVE...14 内部或外部基准电压...14 复位...14 内部结构...15 地址指针...15 命令 (0x00)...17 电压转换结果 (0x01)...18 T SENSE 转换结果 (0x02)...18 T SENSE 均值结果 (0x03)...19 限值 (0x04 至 0x1E)...19 迟滞...20 报警状态 A 和报警状态 B(0x1F 和 0x20)...20 I 2 C 接口...21 串行总线地址字节...21 通用 I 2 C 时序...21 写入 AD 将双字节数据写入 16 位...22 写入多个...22 从 AD7291 读取数据...23 从 16 位读取双字节数据...23 工作模式...24 命令模式...24 自动循环模式...26 外形尺寸...27 订购指南...27 修订历史 2011 年 10 月 修订版 A 至修订版 B 更改表 年 8 月 修订版 0 至修订版 A 更改表 2 的温度传感器 内部精度参数 年 1 月 修订版 0: 初始版 Rev. B Page 2 of 28

3 技术规格除非另有说明,V DD = 2.8 V 至 3.6 V;V DRIVE = 1.65 V 至 3.6 V;f SCL = 400 khz; 快速 SCLK 模式 ;V REF = 2.5 V 内部 / 外部 ;T A = 40 C 至 +125 C 表 2 参数 最小值 典型值最大值 1 单位 测试条件 / 注释 动态性能 f IN = 1 khz 正弦波 信噪比 (SNR) db 信纳比 (SINAD) db 总谐波失真 (THD) db 无杂散动态范围 (SFDR) db 交调失真 (IMD) fa = 5.4 khz, fb = 4.6 khz 二阶项 88 db 三阶项 88 db 通道间隔离 100 db fin = 10 khz 3 全功率带宽 30 MHz 3 db 时 10 MHz 0.1 db 时 直流精度分辨率积分非线性 (INL) 2 微分非线性 (DNL) 2 2 失调误差 2 失调误差匹配失调温度漂移 2 增益误差 2 增益误差匹配增益温度漂移模拟输入输入电压范围直流漏电流 3 输入电容 基准电压输入 / 输出 4 基准输出电压长期稳定性输出电压迟滞 5 基准输入电压范围直流漏电流 V REF 输出阻抗基准源温度系数 3 V REF 噪声逻辑输入 (SDA SCL) 输入高电压 V INH 输入低电压 V INL 输入电流 I IN 3 输入电容 C IN 输入迟滞 V HYST 12 Bits ±0.5 ±1 LSB ±0.5 ±0.99 LSB ±2 ±4.5 LSB ±2.5 ±4.5 LSB 4 ppm/ C ±1 ±4 LSB ±1 ±2.5 LSB 0.5 ppm/ C 0 VREF V ±0.01 ±1 µa 34 pf 8 pf V 150 ppm 50 ppm V ±0.01 ±1 µa 1 Ω ppm/ C 60 µv rms 保证 12 位无失码 采样时保持时 ±0.3%( 最大值,25 C 时 ) 1000 小时 施加于引脚 V REF 的外部基准电压 带宽 = 10 MHz 0.7 VDRIVE V 0.3 VDRIVE V ±0.01 ±1 µa VIN = 0 V 或 VDRIVE 6 pf 0.1 VDRIVE V AD7291 Rev. B Page 3 of 28

4 参数最小值典型值最大值单位 1 测试条件 / 注释 逻辑输出输出高电压 V OH 输出低电压 V OL 悬空态漏电流 3 悬空态输出电容温度传感器 内部工作范围精度 分辨率转换速率转换时间 6 自动循环更新速率吞吐速率电源要求 V DD V DRIVE 7, 8 I TOTAL 正常模式 ( 工作状态 ) 正常模式 ( 静态 ) 完全关断模式 功耗 8 正常模式 ( 工作状态 ) 正常模式 ( 静态 ) 完全关断模式 VDRIVE 0.3 V VDRIVE < 1.8 VDRIVE 0.2 V VDRIVE V ISINK = 3 ma 0.6 V ISINK = 6 ma ±0.01 ±1 µa 8 pf C ±1 ±2 C ±1 ±3 C 0.25 C V V T A = 40 C 至 +85 C T A = 85 C 至 125 C LSB 大小 ksps fscl = 400 khz 数字输入 = 0 V 或 V DRIVE ma ma TA = 40 C 至 +25 C TA = >25 C 至 85 C TA = >85 C 至 125 C mw VDD = 3 V, VDRIVE = 3 V mw mw µw TA = 40 C 至 +25 C µw TA = >25 C 至 85 C µw TA = >85 C 至 125 C 1 除非另有说明, 所有用分贝 (db) 表示的规格均参考满量程输入 FSR, 并用低于满量程 0.5 db 的输入信号进行测试 2 参见术语部分 3 样片在初次发布期间均经过测试, 以确保符合标准要求 4 指额定温度为 25 o C 的引脚 V REF 5 使用外部 V REF ( 参见温度传感器均值部分 ) 时, 温度传感器结果可能需要校正系数 6 样片在初次发布期间均经过测试, 以确保符合标准要求 ; 样片未经生产测试 7 I TOTAL 是流入 V DD 和 V DRIVE 的总电流 8 除非另有说明,I TOTAL 和功耗是 V DD = V DRIVE = 3.6 V 时的额定值 Rev. B Page 4 of 28

5 I 2 C 时序规格 通过初始特性保证 所有数值均在使能输入滤波的情况下测量 C B 表示总线的容性负载,t R 和 t F 在 0.3 VDRIVE 与 0.7 V DRIVE 范围内测量 ( 参见图 2) 除非另有说明,V DD = 2.8 V 至 3.6 V;V DRIVE = 1.65 V 至 3.6 V;V REF = 2.5 V 内部 / 外部 ;T A = 40 C 至 +125 C 表 3 TMIN, TMAX 的限值 参数 条件 最小值 典型值 最大值 单位 描述 fscl 标准模式 100 khz 串行时钟频率 快速模式 400 khz t1 标准模式 4 µs t HIGH,SCL 高电平时间 快速模式 0.6 µs t2 标准模式 4.7 µs t LOW,SCL 低电平时间 快速模式 1.3 µs t3 标准模式 250 ns t SU;DAT, 数据设置时间 快速模式 100 ns t4 1 标准模式 µs t HD;DAT, 数据保持时间 快速模式 µs t5 标准模式 4.7 µs t SU;STA, 重复起始条件的建立时间 快速模式 0.6 µs t6 标准模式 4 µs t HD;STA, 重复起始条件的保持时间 快速模式 0.6 µs t7 标准模式 4.7 µs t BUF, 一个停止条件与一个起始条件之间的 快速模式 1.3 µs 总线空闲时间 t8 标准模式 4 µs t SU;STO, 停止条件的建立时间 快速模式 0.6 µs t9 标准模式 1000 ns t RDA,SDA 信号的上升时间 快速模式 CB 300 ns t10 标准模式 300 ns t FDA,SDA 信号的下降时间 快速模式 CB 300 ns t11 标准模式 1000 ns t RCL,SCL 信号的上升时间 快速模式 CB 300 ns t11a 标准模式 1000 ns t RCL1,SCL 信号在重复后的上升时间 快速模式 CB 300 ns 起始条件和应答位后 t12 标准模式 300 ns t FCL,SCL 信号的下降时间 快速模式 CB 300 ns tsp 快速模式 0 50 ns 抑制尖峰的脉冲宽度 tpower-up 6 ms 上电和采集时间 1 器件必须为 SDA 提供数据保持时间, 以便桥接 SCL 下降沿的未定义区域 t 2 t 11 t 12 t 6 SCL t 6 t 4 t 1 t 3 t 5 t 8 t 10 t9 SDA P t 7 S S P S = START CONDITION P = STOP CONDITION 图 2. 双线式串行接口时序图 Rev. B Page 5 of 28

6 绝对最大额定值 表 4 参数 V DD 至 GND 1,GND V DRIVE 至 GND 1,GND 模拟输入电压至 GND 1 数字输入电压至 GND 1 数字输出电压至 GND 1 V REF 至 GND1 GND 至 GND1 1 输入电流至除电源外的任何引脚工作温度范围存储温度范围结温无铅回流焊温度 ESD 1 达 100 ma 的瞬态电流不会造成闩锁 额定值 0.3 V 至 +5 V 0.3 V 至 +5 V 0.3 V 至 +3 V 0.3 V 至 VDRIVE V 0.3 V 至 VDRIVE V 0.3 V 至 +3 V 0.3 V 至 +0.3 V ±10 ma 40 C 至 +125 C 65 C 至 +150 C 150 C 260(+0) C 2 kv 注意, 超出上述绝对最大额定值可能会导致器件永久性损坏 这只是额定最值, 不表示在这些条件下或者在任何其它超出本技术规范操作章节中所示规格的条件下, 器件能够正常工作 长期在绝对最大额定值条件下工作会影响器件的可靠性 热阻 表 5. 热阻 封装类型 θja θjc 单位 20 引脚 LFCSP C/W ESD 警告 ESD( 静电放电 ) 敏感器件 带电器件和电路板可能会在没有察觉的情况下放电 尽管本产品具有专利或专有保护电路, 但在遇到高能量 ESD 时, 器件可能会损坏 因此, 应当采取适当的 ESD 防范措施, 以避免器件性能下降或功能丧失 Rev. B Page 6 of 28

7 7 引脚配置和功能描述 V IN3 1 V IN4 2 V IN5 3 V IN6 4 V IN SCL 14 SDA 13 AS1 12 ALERT 11 AS0 V REF D CAP V DD 20 V IN2 19 V IN1 18 V IN0 17 PD/RST 16 V DRIVE GND1 GND AD7291 AD7291 TOP VIEW (Not to Scale) NOTES 1. THE EXPOSED METAL PADDLE ON THE BOTTOM OF THE LFCSP PACKAGE SHOULD BE SOLDERED TO PCB GROUND FOR PROPER HEAT DISSIPATION AND PERFORMANCE 图 3. 引脚配置 表 6. 引脚功能描述 引脚编号 引脚名称 描述 1 to 5, 18 to 20 模拟输入 AD7291 具有 8 个单端模拟输入, 这些输入以多路复用方式接入片内采样保持放大器 每个输入通道可接受 0 V 至 2.5 V 的模拟输入 任何未使用的输入通道应连接到 GND1, 以免噪声影响 VIN3, VIN4, VIN5, VIN6, VIN7, VIN0, VIN1, VIN2 6 GND1 7 VREF 8 DCAP 9 GND 10 VDD 11, 13 AS0, AS1 12 ALERT 14 SDA 15 SCL 16 VDRIVE 17 PD/RST 地 AD7291 上内部基准电压电路的接地参考点 所有模拟输入信号和外部基准信号都应参考此 GND1 电压 GND1 引脚应连接到系统的接地层 所有接地引脚在理想情况下应保持等电位, 并且电位差 ( 甚至存在瞬态电压时 ) 不得超过 0.3 V V REF 引脚应通过 10 μf 去耦电容去耦至该接地引脚 内部基准电压 / 外部基准电压源 2.5 V 标称内部基准电压出现在此引脚 如果对输出进行缓冲, 则片内基准电压可以从此引脚获得, 并外加于系统的其余部分 去耦电容应连接到此引脚, 以便对基准电压源缓冲去耦 为获得最佳性能, 推荐在此引脚上使用 10 μf 去耦电容连接到 GND1 需要时可禁用内部基准电压, 将外部基准电压用于此引脚 外部基准电压的输入电压范围为 2.0 V 至 2.5 V 去耦电容引脚 去耦电容 ( 建议 1 nf) 连接到此引脚, 以便对内部 LDO 去耦 地 AD7291 上所有模拟和数字电路的接地参考点 GND 引脚应连接到系统的接地层 所有接地引脚在理想情况下应保持等电位, 并且电位差 ( 甚至存在瞬态电压时 ) 不得超过 0.3 V D CAP 和 V DD 引脚应去耦至此 GND 引脚 电源电压,2.8 V 至 3.6 V 此电源应使用 10 μf 和 100 nf 去耦电容去耦至 GND 逻辑输入 这两个输入的逻辑状态共同选择 AD7291 的唯一 I 2 C 地址 详情请参见表 31 器件地址取决于施加于这些引脚的电压 数字输出 使能时, 此引脚用作超量程指示, 当转换结果超过 DATA HIGH 或 DATA LOW 值时, 就会激活 参见限值 (0x04 至 0x1E) 部分 数字输入 / 输出 串行总线双向数据 此开漏输出需要上拉电阻 电压通道的输出为标准二进制编码, 温度传感器结果为二进制补码 数字输入 串行 I 2 C 总线时钟 此输入需要上拉电阻 I 2 C 模式下的数据传输速率与 100 khz 和 400 khz 工作模式兼容 逻辑电源输入 此引脚的电源电压决定接口的工作电压 应将此引脚去耦至 GND 此引脚的电压范围为 1.65 V 至 3.6 V, 可以小于 V DD 电压, 但不得超过其 0.3 V 以上 掉电引脚 此引脚使器件进入完全关断模式, 不需要工作时可以降低功耗 它可用于将器件复位, 只需将引脚切换至低电平至少 1 ns, 最长 100 ns 如果超过最大时间, 器件将进入关断模式 器件处于完全关断模式时, 模拟输入必须返回 0 V EPAD EPAD 裸露焊盘 LFCSP 封装底部的裸露金属焊盘应焊接到 PCB 地, 以确保正常工作和散热 Rev. B Page 7 of 28

8 典型工作特性 AMPLITUDE (db) V DD = V DRIVE = 3V f S = 22.22ksps f SCL = 400kHz f IN = 10kHz SNR = THD = INL (LSB) T A = 25 C V DRIVE = 3V V DD = 3V f S = 22.22ksps f SCL = 400kHz INL (POSITIVE) INL (NEGATIVE) k 4k 6k 8k 10k FREQUENCY (Hz) V REF (V) 图 4. 典型 FFT 图 7. INL 与外部 V REF 的关系 INL (LSB) T A = 25 C V DRIVE = 3V V REF = 2.5V V DD = 3V f S = 22.22ksps f SCL = 400kHz DNL (LSB) T A = 25 C V DRIVE = 3V V DD = 3V f S = 22.22ksps f SCL = 400kHz DNL (POSITIVE) DNL (NEGATIVE) ADC CODE V REF (V) 图 5. 典型 ADC INL 图 8. DNL 与外部 V REF 的关系 DNL (LSB) T A = 25 C V DRIVE = 3V 0.6 V REF = 2.5V V DD = 3V 0.8 f S = 22.22ksps f SCL = 400kHz ADC CODE EFFECTIVE NUMBER OF BITS EXTERNAL REFERENCE (V) 图 6. 典型 ADC DNL 图 9. 有效位数与 V REF, f SCL = 400 khz 的关系 Rev. B Page 8 of 28

9 V REF (V) V DD = V DRIVE = 3V CHANNEL-TO-CHANNEL ISOLATION (db) V DD = V DRIVE = 3V f SCL = 400kHz CURRENT LOAD (ma) 图 10. V REF 与基准输出驱动的关系 k f NOISE (khz) 图 13. 通道间隔离,f IN = 10 khz V DRIVE = 3V V DD = 3V TEMPERATURE READING ( C) SINAD (db) TIME (Seconds) EXTERNAL REFERENCE (V) 图 11. 对热冲击的响应 ( 从室温到 50 C 搅拌油温 ) 图 14. SINAD 与基准电压的关系,f SCL = 400 khz,f S = ksps PSRR (db) V DD = 3V V DRIVE = 3V TEMPERATURE ERROR ( C) k 10k 100k 1M 10M 100M RIPPLE FREQUENCY (Hz) TEMPERATURE ( C) 图 12. 电源抑制比 (PSRR) 与电源纹波频率的关系, 无电源去耦 图 V 时的温度精度 Rev. B Page 9 of 28

10 V DRIVE = 3V V DD = 3V V DRIVE = 3V POWER (mw) TOTAL CURRENT (µa) C +25 C +85 C +125 C SCL FREQUENCY (khz) V DD 图 16. 正常模式中功耗与吞吐速率的关系 图 17. 各种温度时完全关断电流与电源电压的关系 Rev. B Page 10 of 28

11 术语信纳比 (SINAD) 在 ADC 输出端测得的信号对噪声及失真比 这里的信号 是基波幅值的均方根幅值 噪声为所有达到采样频率一半 (f S /2, 直流信号除外 ) 的非基波信号之和 在数字化过程中, 这个比值的大小取决于量化级数, 量化级数越多, 量化噪声就越小 对于一个正弦波输入的理想 N 位转换器, 信纳比理论值计算公式为 : 信纳比 = (6.02 N ) db 因此,12 位转换器的 SINAD 理论值为 74 db 总谐波失真 (THD) 所有谐波均方根和与基波的比值 对于 AD7291, 其定义为 其中 : V 1 是基波幅度的均方根值 V 2 V 3 V 4 V 5 及 V 6 是二次到六次谐波幅度的均方根值 峰值谐波或杂散噪声在 ADC 输出频谱 ( 最高达 f S /2, 直流信号除外 ) 中, 下一个最大分量的均方根值与基波均方根值的比 通常情况下, 此参数值由频谱内的最大谐波决定, 但对于谐波淹没于本底噪声内的 ADC, 它为噪声峰值 交调失真 (IMD) 当输入由两个频率分别为 fa 和 fb 的正弦波组成时, 任何非线性有源器件都会以和与差频 mfa ± nfb( 其中 m, n = 0, 1, 2, 3 ) 的形式产生失真产物 交调失真项的 m 和 n 都不等于 0 例如, 二阶项包括 (fa + fb) 和 (fa fb), 而三阶项包括 (2fa + fb) (2fa fb) (fa + 2fb) 和 (fa 2fb) AD7291 经过 CCIF 标准测试, 此标准使用最大输入带宽附近的两个输入频率 在此情况下, 二阶项频率通常远离初始正弦波, 而三阶项频率通常靠近输入频率 因此, 二阶和三阶项需分别指定 计算交调失真同 THD 参数一样, 是个别失真积的均方根和与基波和的幅度均方根的比值, 用分贝表示 孔径延迟采样时钟前沿与 ADC 采样点之间的测量间隔 孔径抖动孔径抖动指样本与样本之间在采样的有效时间点上的差异 全功率带宽针对满量程输入, 重构基波幅度减小 0.1 db 或 3 db 的输入频率 电源抑制比 (PSRR) 电源抑制比定义为满量程频率 f 下 ADC 输出功率与频率 f S 下施加于 ADC V DD 的 100 mv p-p 正弦波功率的比值 输入信号的频率变化范围为 5 khz 至 25 MHz 其中 : Pf 为频率 f 下 ADC 的输出功率 Pf S 是频率 f S 下 ADC 的输出功率 积分非线性 ADC 传递函数与一条通过 ADC 传递函数端点的直线的最大偏差 传递函数有两个端点, 起点在低于第一个码转换的 1 LSB 处的零电平, 终点在高于最后一个码转换的 1 LSB 处的满量程 微分非线性 ADC 中任意两个相邻码之间所测得变化值与理想的 1 LSB 变化值之间的差异 失调误差第一个码转换 ( 到 ) 与理想值 ( 即 GND1 + 1 LSB) 的偏差 失调误差匹配任何两个通道之间失调误差的差异 增益误差校正失调误差之后, 最后一个码转换 ( 到 ) 与理想值 ( 即 VREF 1 LSB) 的偏差 增益误差匹配任何两个通道之间增益误差的差异 采样保持器采集时间采样保持放大器在转换结束时恢复跟踪模式 采样保持采集时间是转换结束后, 采样保持放大器输出达到最终值 ( 在 ±1 LSB 内 ) 所需的时间 Rev. B Page 11 of 28

12 电路信息 AD7291 内置一个 8 通道多路复用器 一个片内采样保持放大器 一个模数转换器 (ADC) 一个片内振荡器 内部数据 一个内部温度传感器和一个 I 2 C 兼容串行接口, 采用 20 引脚 LFCSP 封装 该封装与其它解决方案相比, 非常节省空间 AD7291 采用 2.8 V 至 3.6 V 单电源供电, 提供 12 位分辨率 它具有 8 个单端输入通道和一个片内 ±12 ppm 基准电压源 模拟输入范围是 0 V 至 VREF AD7291 内置一个高精度带隙温度传感器,12 位 ADC 对其进行监控和数字化, 以提供 0.25 C 的分辨率 AD7291 在不转换时通常保持部分省电状态 首次施加电源时, 器件以部分省电状态上电 转换前先启动上电, 转换完成后, 器件返回部分省电模式 转换可利用自动循环模式或命令模式启动, 并在写入地址的同时唤醒和转换 转换完成后,AD7291 再次进入部分省电模式 在命令模式中, 开始读取时,AD7291 完全唤醒, 也就是能够执行全部功能, 并在读出地址的同时完成转换 在自动循环模式中, 转换以 50 μs 间隔进行 ; 也就是 AD7291 以 50 μs 间隔退出部分省电模式并完全上电 这个自动部分省电功能可在两次转换间降低功耗 I 2 C 接口上的读或写操作可在器件处于部分省电模式时进行 转换器操作 AD7291 是一款基于电容 DAC 的 12 位逐次逼近型 ADC 图 18 和图 19 分别为 ADC 采样阶段和转换阶段的简化原理示意图 这款 ADC 内置控制逻辑 SAR 和容性 DAC, 可以利用二者加上和减去采样电容中的固定电荷数量, 使比较器恢复到平衡状态 图 18 显示了采样阶段 SW2 闭合,SW1 置于 A, 比较器保持在平衡状态, 采样电容采集选定 V IN 通道的信号 V IN GND1 A SW1 B SW2 COMPARATOR 图 18. ADC 采样阶段 CAPACITIVE DAC CONTROL LOGIC 当 ADC 启动转换 ( 见图 19) 时,SW2 断开, 而 SW1 移至位置 B, 使得比较器变得不平衡 利用控制逻辑和容性 DAC 可以加上和减去固定的电荷数量, 使比较器恢复到平衡状态 当比较器重新平衡后, 转换就已经完成 控制逻辑产生 ADC 的输出代码 图 21 显示了该 ADC 的传递函数 V IN GND1 A SW1 B SW2 COMPARATOR 图 19. ADC 转换阶段 CAPACITIVE DACE CONTROL LOGIC 模拟输入图 20 显示了 AD7291 模拟输入结构的等效电路 二极管 D1 和 D2 提供模拟输入的 ESD 保护 切记, 模拟输入信号决不能超过内部生成的 2.5 V LDO 电压 (DCAP) 300mV 以上, 否则会造成二极管正偏, 并开始向芯片内部导入电流 这些二极管可以传导但不会对器件造成彻底损坏的最大电流为 10 ma 图 20 中的电容 C1 通常约为 8 pf, 并且主要在引脚电容上 电阻 R1 是一个集总元件, 由开关 ( 即采样保持开关 ) 的导通电阻和输入多路复用器的导通电阻组成, 总电阻通常约为 155 Ω 电容 C2 是 ADC 采样电容, 一般为 34 pf 图 20. 等效模拟输入电路 在交流应用中, 建议在相应的模拟输入引脚用一个 RC 低通滤波器来滤除模拟输入信号的高频成份 在对谐波失真和信噪比要求严格的应用中, 模拟输入应采用一个低阻抗源进行驱动 高源阻抗会显著影响 ADC 的交流特性 这种情况下有必要使用一个输入缓冲放大器 通常根据具体应用性能标准来选择运算放大器 Rev. B Page 12 of 28

13 ADC 传递函数 对于模拟输入通道转换结果,AD7291 的输出为标准二进制编码, 温度转换结果则为二进制补码 所设计的码跃迁在连续 LSB 值上 ( 即 1 LSB 2 LSB 等等 ) 进行 AD7291 的 LSB 大小为 V REF /4096 输出标准二进制编码时,AD7291 的理想传递特性如图 21 所示 ADC CODE NOTES 1. V REF IS 2.5V. 0V 1LSB 1LSB = V REF /4096 ANALOG INPUT 图 21. 标准二进制传递特性 +V REF 1LSB 温度传感器工作原理 AD7291 内置一个本地温度传感器 片内带隙温度传感器测量 AD7291 芯片的温度 AD7291 上的温度传感器模块基于三电流原则 ( 参见图 22), 三个电流分别通过一个二极管, 并测量正向压降, 这样就能排除串联电阻所引起的误差, 准确计算出温度 各输入依次积分, 期间为数百微秒 该操作在后台连续发生, 用户可以放心地在其它通道上执行转换 积分完成时, 信号传递给控制逻辑, 自动启动转换 如果 ADC 处于命令模式并执行电压转换,AD7291 会等待电压转换完成, 然后启动温度传感器转换 如果 ADC 未执行电压转换, 则以 5 ms 间隔进行温度转换 在自动循环模式中, 将在当前序列的适当位置插入转换 如果 ADC 空闲, 转换将立即发生 T SENSE 转换结果存储温度通道上的最后一次转换结果, 这些结果可以随时读取 理论上, 温度测量电路能够以 0.25 C 的分辨率测量 512 C 至 +511 C 的温度 不过,T A (AD7291 的额定温度范围 ) 以外的温度并不在该器件的保证工作温度范围内 通过设置命令的 TSENSE 位, 可以使能温度传感器 温度传感器均值 AD7291 内置温度传感器均值功能, 以提高温度测量的精度 只要使能命令内的 TSENSE 位, 就会在后台连续执行温度均值功能 每次执行 T SENSE 转换都会测量温度, 可利用移动均值法来决定 T SENSE 均值结果内的结果 均值结果可通过以下公式计算 : T SENSE AVG 7 = 8 ( Previous Average _ Result) + _( Current _ Result ) 然后可在 T SENSE 均值结果内获得均值结果, 每次 T SENSE 转换后都会更新该内容 1 8 I 4 I 8 I I BIAS V DD 在命令 ( 位 D7) 中选择温度传感器后,AD7291 提供的首个 T SENSE 转换结果实际上是首个 T SENSE 转换结果, 此结果在下一个 T SENSE 转换完成且结果更新前一直有效 V OUT+ TO ADC INTERNAL SENSE TRANSISTOR V OUT BIAS DIODE 图 22. 内部温度传感器的顶层结构 Rev. B Page 13 of 28

14 温度值格式 ADC 的一个 LSB 对应 0.25 C ADC 产生的温度读数以 12 位二进制补码形式存储, 正负温度测量结果均适用 样本温度值如表 7 所示 温度转换公式如下 : 正温度 = ADC 码 /4 负温度 = (4096 ADC 码 )/4 上述公式仅适用于 V REF 为 2.5 V 的条件下 如果使用外部基 准电压源, 温度传感器需要 2 V 至 2.5 V 间的外部基准电压 才能正常工作 温度结果 ( 摄氏度 ) 使用以下公式计算, 其中 V EXT_REF 是外部基准电压值 表 7. 温度数据格式 温度 ( C) 数字输出 V DRIVE V DRIVE 控制串行接口的工作电压 V DRIVE 特性使 ADC 能够轻松与 1.8V 和 3 V 处理器接口 例如, 如果 AD7291 采用 3.3 V 的 V DD 供电, 则 V DRIVE 引脚可以采用 1.8 V 电源供电 这样, AD7291 以 3.3 V 的 V DD 工作时具有较大的动态范围特性, 同时仍能与 1.8 V 处理器接口 注意, 应确保 V DRIVE 不超过 V DD 0.3 V 以上 ( 参见绝对最大额定值部分 ) 内部或外部基准电压 AD7291 既可在内部 2.5 V 片内基准电压下工作, 也可在外部施加的基准电压下工作 命令内的 EXT_REF 位用于确定是否使用内部基准电压 如果在命令中选择 EXT_REF 位, 可通过 V REF 引脚提供外部基准电压 上电时, 使能内部基准电压 适合 AD7291 的外部基准电压源包括 AD780 AD1582 ADR431 REF193 和 ADR391 内部基准电压电路由一个 2.5 V 带隙基准电压源和一个基准电压缓冲器组成 当 AD7291 以内部基准电压模式工作时, V REF 引脚提供 2.5 V 内部基准电压, 此引脚应使用 10 μf 电容去耦至 GND1 建议将内部基准电压施加于系统的其他部分前先进行缓冲 转换器为静态时, 内部基准电压源最多能够提供 2 ma 电流 基准电压缓冲器需要 5.5 ms 上电, 并在上电期间对 10 μf 去耦电容充电 复位 AD7291 内置复位功能, 可用于使器件和所有内部 ( 包括命令 ) 的内容复位至默认状态 要激活复位操作,PD/RST 引脚应拉低至少 1 ns, 最长 100 ns, 并且与时钟异步 ; 因此可以随时触发 如果 PD/RST 引脚保持低电平超过 100 ns, 器件将进入完全关断模式 PD/RST 引脚必须一直保持稳定的逻辑电平才能确保正常工作 Rev. B Page 14 of 28

15 内部结构 AD7291 内置 34 个内部 ( 参见图 23), 可用于存储转换结果 转换上限和下限以及用来配置和控制器件的信息 共有 33 个数据和 1 个地址指针 COMMAND REGISTER VOLTAGE CONV RESULT REGISTER 每个数据都有一个地址, 当与之通信时, 地址指针 T SENSE CONV RESULT REGISTER 就会指向该地址 表 9 详细列出了哪些用于读取 写入或 地址指针地址指针是每个写入操作的首个数据字节自动写入的 ; 因此该既没有也不需要地址 地址指针是一个 8 位, 其中 6 个 LSB 用作指针位, 用来存储指向其中一个 AD7291 数据的地址 每个写入地址后的首个字节用于地址指针, 包含某个数据的地址 6 个 LSB 选择随后数据字节要写入的数据 只有此内的 6 个 LSB 才能用于选择数据 ADDRESS POINTER REGISTER T SENSE AVG RESULT REGISTER CH0 DATA HIGH REGISTER CH0 DATA LOW REGISTER CH0 HYSTERESIS REGISTER CH1 DATA HIGH REGISTER CH1 DATA LOW REGISTER CH1 HYSTERESIS REGISTER DATA 上电期间, 地址指针包含指向命令的所有 0 表 8. 地址指针 D1 D0 P5 P4 P3 P2 P1 P0 0 0 选择 CH7 DATA HIGH REGISTER CH7 DATA LOW REGISTER CH7 HYSTERESIS REGISTER T SENSE DATA HIGH REGISTER T SENSE DATA LOW REGISTER T SENSE HYSTERESIS REGISTER ALERT STATUS REGISTER A SDA SCL ALERT STATUS REGISTER B SERIAL BUS INTERFACE 图 23. AD7291 结构 Rev. B Page 15 of 28

16 表 9. AD7291 地址 Hex Code P5 P4 P3 P2 P1 P0 0x 命令 写入 0x 电压转换结果 读取 0x T SENSE 转换结果 读取 0x T SENSE 均值结果 读取 0x CH0 DATA HIGH 0x CH0 DATA LOW 0x CH0 迟滞 0x CH1 DATA HIGH 0x CH1DATA LOW 0x CH1 迟滞 0x0A CH2 DATA HIGH 0x0B CH2 DATA LOW 0x0C CH2 迟滞 0x0D CH3 DATA HIGH 0x0E CH3 DATA LOW 0x0F CH3 迟滞 0x CH4 DATA HIGH 0x CH4 DATA LOW 0x CH4 迟滞 0x CH5 DATA HIGH 0x CH5 DATA LOW 0x CH5 迟滞 0x CH6 DATA HIGH 0x CH6 DATA LOW 0x CH6 迟滞 0x CH7 DATAHIGH 0x1A CH7 DATA LOW 0x1B CH7 迟滞 0x1C T SENSE DATA HIGH 0x1D T SENSE DATA LOW 0x1E T SENSE 迟滞 0x1F 报警状态 A 读取 0x 报警状态 B 读取 0x3F 工厂测试模式 用户不得访问此 Rev. B Page 16 of 28

17 命令 (0x00) 命令是一个 16 位只写, 用来设置 AD7291 的工作模式 位功能如表 10 所示 写入命令时, 需要双字节写入 MSB 表示数据流的第一位 上电期间, 命令的默认内容全部为 0 表 10. 上电时的命令位和默认设置 MSB LSB 通道位 D15 至 DB8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Function CH0 至 CH7 TSENSE Setting 使能 = 1, 使能 = 1, 0 禁用 = 0 禁用 = 0 无关 噪声延迟位检验和采样 使能 = 1, 禁用 = 0 EXT_REF 使能 = 1, 禁用 = 0 ALERT 引脚极性 ( 高电平有效 / 低电平有效 ) 低电平有效 = 1, 高电平有效 = 0 清除报警 使能 = 1, 禁用 = 0 表 11. 命令位功能描述 位 引脚名称 备注 D15 至 D8 CH0 至 CH7 这些 8 通道地址位用于选择待转换的模拟输入通道 位 D15 至位 D8 中的任一位设为 1 可选择转换通道 如果多 个通道位设为 1,AD7291 将从最低通道开始依序转换选定通道 所有未使用通道应设为 0 启动转换前, 必 须在命令中选择转换通道或通道序列 复位 使能 = 1, 禁用 = 0 D7 TSENSE 此位使能温度转换, 转换以 5 ms 间隔在后台进行 其结果可从 T SENSE 转换结果 (0x02) 和 T SENSE 均值结 果 (0x03) 读取 详情参见温度传感器工作原理部分 D6 无关 自动循环模式 使能 = 1, 禁用 = 0 D5 噪声延迟位 使能此功能时, 若 I 2 C 总线上有活动, 它会延迟关键采样间隔和位检验, 从而确保改进 AD7291 的直流性能 检验和采样使能该功能时, 转换时间可能会发生变化 上电时此位禁用, 建议写入 1, 使该功能正常工作 D4 EXT_REF 对此位写入逻辑 1 则支持使用外部基准电压源 外部基准电压源的输入电压范围为 2 V 至 2.5 V 外部基准电压 不应超过 2.5 V, 否则对器件性能有不利影响 上电期间, 默认配置是使能内部基准电压 D3 ALERT 引脚极性 此位决定 ALERT 引脚的有效极性 如果此位设为 1,ALERT 引脚配置为低电平有效, 设为 0 则为高电平有效 上电时的默认配置为高电平有效 (0) D2 清除报警 此位可清除报警状态的内容 一旦两个报警状态的内容被清除, 此位应重新编程为逻辑 0, 以 确保能够检测未来的报警信号 D1 复位 设置此位可将 AD7291 中所有内部的内容复位至其默认状态, 包括命令本身 一旦复位完成, 此 位将自动恢复为 0, 以便对内部重新编程 D0 自动循环模式 对此位写入 1 可使能自动循环工作模式 在该模式下,AD7291 会连续转换位 D15 至位 D8 中选择的通道 此功能 配合限值使用, 可设置成所选的任何转换通道的转换结果超过预设限值时就发出报警信号 Rev. B Page 17 of 28

18 表 12. 命令的通道选择位 D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 选择模拟输入通道 注释 未选择通道 如果选择多个通道,AD7291 将从序列 转换通道 7 (V IN7 ) 上 中的最低通道开始转换选定通道 转换通道 6 (V IN6 ) 转换通道 5 (V IN5 ) 转换通道 4 (V IN4 ) 转换通道 3 (V IN3 ) 转换通道 2 (V IN2 ) 转换通道 1 (V IN1 ) 转换通道 0 (V IN0 ) 表 13. T SENSE 数据格式 输入 D11 (MSB) D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 (LSB) 值 ( C) 采样延迟和位检验延迟理想情况下,ADC 转换过程中不应有 I 2 C 总线活动 但有时这是无法避免的, 例如在自动循环模式下工作时 建议向命令中的位 D5 写入 1, 以使能噪声延迟位检验和采样功能 当 I 2 C 总线上有活动时, 这种机制可延迟关键采样间隔和位检验 这样, 每位判断均在相对安静的环境中进行, 转换结果不易受外部噪声干扰 上电时, 位检验和采样间隔延迟机制未使能 建议使能这一功能, 以便实现正常工作 使能时,AD7291 将延迟位检验, 从而抑制 I 2 C 总线上的活动影响 如果接口线路上的活动过多, 使能这些位可导致总转换时间增加 AD7291 还内置一项功能, 可以抑制 50 ns 以下的毛刺 该功能可改善器件的抗噪性 电压转换结果 (0x01) 电压转换结果是一个 16 位只读, 以标准二进制格式存储 ADC 输出的转换结果 从该读取数据需要使用双字节读取 表 14 和 15 显示要从 AD7291 读取数据的第一和第二字节内容 每个 AD7291 转换结果由 4 个通道地址位 ( 参见表 14 和表 15) 和 12 位数据结果组成 位 D15 至位 D12 是识别对应后续结果的 ADC 通道的通道地址位 位 D11 至位 D0 包含最近的 ADC 结果 表 14. 转换值 ( 第一次读取 ) MSB D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 ADD3 ADD2 ADD1 ADD0 B11 B10 B9 B8 表 15. 转换值 ( 第二次读取 ) LSB D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 表 16. 结果的通道地址位 ADD2 ADD2 ADD1 ADD0 模拟输入通道 VIN VIN VIN VIN VIN VIN VIN VIN TSENSE TSENSE 平均值结果 温度值格式 ADC 产生的温度读数以 11 位二进制补码形式存储在 D11 至 D0 中, 正负温度测量结果均适用 温度数据格式如表 13 所示 T SENSE 转换结果 (0x02) T SENSE 结果是一个 16 位只读, 用来存储内部温度传感器所产生的 ADC 数据 此以 12 位二进制补码格式 D11 至 D0 存储 ADC 输出的温度读数, 并使用位 D15 至位 D12 存储通道地址位 转换大约每隔 5 ms 发生一次 表 13 详细列出了应用于内部温度传感器的温度数据格式 Rev. B Page 18 of 28

19 表 17. T SENSE 转换结果 ( 第一次读取 ) MSB D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 ADD3 ADD2 ADD1 ADD0 B11 B10 B9 B8 表 18. T SENSE 结果 ( 第二次读取 ) LSB D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 T SENSE 平均值结果 (0x03) T SENSE 均值结果是一个 16 位只读, 用来存储内 部温度传感器输出的均值结果 此以 11 位二进制补码格式 D11 至 D0 存储 ADC 输出的均值温度读数, 并使用位 D15 至位 D12 存储通道地址位 T SENSE 均值结果在每次 T SENSE 转换完成后更新 使能均值后 AD7291 给出的首个 T SENSE 均值转换结果实际上是首个 T SENSE 转换结果 表 13 详细列出了应用于内部温度传感器的温度数据格式 详情参见温度传感器均值部分 表 19. T SENSE 均值结果 ( 第一次读取 ) MSB D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 ADD3 ADD2 ADD1 ADD0 B11 B10 B9 B8 表 20. T SENSE 均值结果 ( 第二次读取 ) LSB D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 限值 (0x04 至 0x1E) AD7291 具有 9 对限值 每一对存储每个模拟输入通道和内部温度传感器的转换上限和下限 每对限值都有一个相关迟滞 所有 27 个都是 16 位宽 ; 只有 12 LSB 用于 AD7291 这些中, 四个 MSB,D15 和 D12, 应包含 0 上电期间, 每个模拟电压通道的 DATA HIGH 的内容为满量程 (0x0FFF), 而 DATA LOW 电压通道的默认内容为零电平 (0x0000) 对于温度转换结果,AD7291 的输出是二进制补码 T SENSE DATA HIGH 的默认内容是 0x07FF, 而 T SENSE DATA LOW 的默认内容是 0x0800 如果转换结果超过限值设置的上限或下限,AD7291 将在硬件内发出报警信号 DATA HIGH CH0 至 CH7 和内部温度传感器的 DATA HIGH 是 16 位读 / 写 ; 仅使用每个的 12 个 LSB 中的位 D15 至位 D12 不用, 设置为 0 此存储激活 ALERT 输出的上限 如果转换结果内的值大于 DATA HIGH 内的值, 该通道出现 ALERT 转换结果返回比 DATA HIGH 值至少低 N 个 LSB 的值时,ALERT 输出引脚复位 N 的值来自与该通道相关的迟滞 ALERT 引脚也可通过写入命令的位 D2 来复位 表 21. DATA HIGH ( 第一次读取 / 写入 ) MSB D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D B11 B10 B9 B8 表 22. DATA HIGH ( 第二次读取 / 写入 ) LSB D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 DATA LOW 每个通道的 DATA LOW 是一个 16 位 ; 仅使用每个的 12 个 LSB 中的位 D15 至位 D12 不用, 设置为 0 此存储激活 ALERT 输出的下限 如果 TSENSE 转换结果内的值小于 DATA LOW 内的值, 该通道出现 ALERT 转换结果返回比 DATA LOW 值至少高 N 个 LSB 的值时,ALERT 输出引脚复位 N 的值来自与该通道相关的迟滞 ALERT 输出引脚也可通过写入命令的位 D2 来复位 表 23. DATA LOW ( 第一次读取 / 写入 ) MSB D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D B11 B10 B9 B8 表 24. DATA LOW ( 第二次读取 / 写入 ) LSB D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 Rev. B Page 19 of 28

20 迟滞 每个模拟输入通道和内部温度传感器都拥有自己的迟滞, 即一个 16 位 仅使用 12 个 LSB 中的位 D15 至位 D12 不用, 设置为 0 使用限值时, 迟滞存储迟滞值 N 每对限值都有一个专用迟滞 如果发生超过限值事件, 迟滞值将决定 ALERT 引脚的复位点 例如, 如果通道 0 的上下限要求 8 LSB 的迟滞值, 则应将 16 位字 写入 CH0 的迟滞, 地址为 0x06( 见表 25 和表 26) 上电期间, 迟滞内容默认全部为零 (0x0000) 如果要求迟滞值, 则必须将该值写入相关通道的迟滞 表 27. 报警状态 A( 第一次读取字节 ) MSB D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D B11 B10 B9 B8 表 26. 迟滞 ( 第二次读取 / 写入字节 ) LSB D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 报警状态 A 和报警状态 B (0x1F 和 0x20) 报警状态是 16 位只读, 用来提供关于报警事件的信息 如果一次转换导致 ALERT 引脚激活, 如限值 (0x04 至 0x1E) 部分所述, 则可以读取报警状态以获得更多信息 AD7291 包括两个报警状态 : 报警状态 A 存储模拟电压转换通道的报警 ( 参见表 27 和表 28), 报警状态 B 仅存储内部温度传感器的报警 ( 参见表 29 和表 30) 两个报警状态针对每一通道包含两个状态位, 一个对应 DATA HIGH 限值, 另一个对应 DATA LOW 限值 状态为 1 的位显示超出限值发生的位置, 即哪一通道, 以及超过的是上限还是下限 如果在接受第一报警和查询报警状态之间, 另一通道上发生第二个报警事件, 该报警事件的对应位也会置位 报警状态的整个内容可通过对命令的位 D2 写入 1 来清除 例如, 如果将报警状态 A 的位 D14 设为 1, 则超出通道 7 的下限 ( 0x1A), 如果将位 D11 设为 1, 则超出通道 5 的上限 ( 0x13) TSENSE HIGH 和 TSENSE_AVG HIGH 报警通过与 T SENSE DATA HIGH ( 0x1C) 进行比较来确定 同样,TSENSE LOW 和 TSENSE_AVG LOW 报警通过与 TSENSE DATA LOW ( 0x1D) 进行比较来确定 表 27. 报警状态 A( 第一次读取字节 ) D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 CH7HIGH CH7LOW CH6HIGH CH6LOW CH5HIGH CH5LOW CH4HIGH CH4LOW 表 28. 报警状态 A( 第二次读取字节 ) D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 CH3HIGH CH3LOW CH2HIGH CH2LOW CH1HIGH CH1LOW CH0HIGH CH0LOW 表 29. 报警状态 B( 第一次读取字节 ) D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D 表 30. 报警状态 B( 第二次读取字节 ) D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D TSENSE_AVGHIGH TSENSE_AVGLOW TSENSEHIGH TSENSELOW Rev. B Page 20 of 28

21 I 2 C 接口 对 AD7291 的控制经由 I 2 C 兼容串行总线实现 它作为从器 件连接到该总线, 受处理器等主器件的控制 串行总线地址字节 用户写入器件的第一个字节是从机地址字节 与其它 I 2 C 兼 容器件一样,AD7291 也具有 7 位串行地址 此地址的三个 MSB 设为 010 用户可通过三态输入引脚 AS0 和 AS1 对 4 个 LSB 进行编程, 如表 31 所示 表 31 中,H 表示引脚连到 V DRIVE,L 表示引脚连到 GND,NC 表示引脚浮空 请注意, 最后一种情况中, 引脚上的杂散电容必须小于 30 pf, 才能正确检测悬空态 因此,PCB 走线必须尽可能短 表 31. 使用三态输入引脚控制从机地址 从机地址 (A6 至 A0) AS1 AS0 二进制 十六进制 H H x20 H NC x22 H L x23 NC H x28 NC NC x2A NC L x2B L H x2C L NC x2E L L x2F 通用 I 2 C 时序图 24 是使用 I 2 C 兼容接口的一般读写操作的时序图 当无器件驱动总线时,SCL 和 SDA 均为高电平 这称为空 闲状态 当总线空闲时, 主机通过建立起始条件而启动数据传输 ; 起始条件要求串行数据线 (SDA) 发生高低转换, 同时串行时钟线 (SCL) 保持高电平 这样, 随后就会发生数据流 主机负责产生时钟 数据以 9 位一组的形式通过串行总线发送 :8 位数据来自发射机, 后面跟随一个来自接收机的应答位 (ACK) SDA 线上的数据转换必须发生在时钟信号的低电平期间, 并且在高电平期间保持稳定 接收机应在应答位期间将 SDA 线拉低, 表示已正确接收之前的字节 如果并非如此, 则会取消处理 主机发送的第一个字节必须由 7 位从机地址和一个数据方向位组成 总线上的每台设备都具有一个唯一的从机地址 ; 因此, 第一个字节用来建立处理期间与单一从机的通信 处理可以是将数据写入从机 ( 数据方向位 =0), 也可以是从从机读取数据 ( 数据方向位 = 1) 如果是读取处理, 首先常常需要写入从机 ( 在另外的写入处理中完成 ), 告诉它读取哪一个 读取和写入不能合并在一次处理中完成 处理完成时, 主机可以保持对总线的控制, 通过产生另一个起始位 (SDA 高低转换, 而 SCL 为高电平 ) 而启动新的处理 这称为重复起始 (SR) 或者, 主机也可以通过先释放 SCL 线, 再释放 SDA 线, 而释放总线 SDA 发生低高转换, 同时 SCL 为高电平, 这称为停止位 (P), 将使 I 2 C 总线进入空闲状态 ( 总线不消耗电流 ) 图 24 中的例子显示了一个简单的写入处理, 其中 AD7291 用作从机 本例中,AD7291 指针已设置好执行后续的读取处理 SCL SDA A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 R/W P7 P6 P5 P4 P3 P2 P1 P0 START COND BY MASTER SLAVE ADDRESS BYTE USER PROGRAMMABLE 5 LSBs ACK. BY AD7291 REGISTER ADDRESS ACK. BY AD7291 STOP BY MASTER 图 24. 通用 I 2 C 时序 Rev. B Page 21 of 28

22 写入 AD7291 将双字节数据写入 16 位 AD7921 上的所有均为 16 位 ; 因此, 对这些写入值都需要双字节数据 将双字节数据写入时, 命令序列如下 ( 参见图 25): 1. 主机在 SDA 上置位起始条件 2. 主机发送 7 位从机地址以及写入位 ( 低 ) 3. 具有相应地址的从机在 SDA 上置位应答 4. 主机发送一个地址 从机在 SDA 上置位应答 5. 主机发送第一个数据字节 ( 高字节 ) 6. 从机在 SDA 上置位应答 7. 主机发送第二个数据字节 ( 低字节 ) 8. 从机在 SDA 上置位应答 9. 主机在 SDA 上置位停止条件以结束处理 写入多个写入多个地址时, 命令序列如下 ( 参见图 26): 1. 主机在 SDA 上置位起始条件 2. 主机发送 7 位从机地址以及写入位 ( 低 ) 3. 具有相应地址的从机 (AD7291) 在 SDA 上置位应答 4. 主机发送一个地址, 例如 CH1 DATAHIGH 地址 5. 从机 (AD7291) 在 SDA 上置位应答 6. 主机发送第一个数据字节 7. 从机 (AD7291) 在 SDA 上置位应答 8. 主机发送第二个数据字节 9. 从机 (AD7291) 在 SDA 上置位应答 10. 主机发送第二个地址, 例如命令地址 11. 从机 (AD7291) 在 SDA 上置位应答 12. 主机发送第一个数据字节 13. 从机 (AD7291) 在 SDA 上置位应答 14. 主机发送第二个数据字节 15. 从机 (AD7291) 在 SDA 上置位应答 16. 主机在 SDA 上置位停止条件以结束处理 上例仅详细说明了如何写入两个 (CH1 DATA HIGH 地址和命令 ) 然而,AD7291 能够在一个写操作中读取多个, 如图 26 所示 S SLAVE ADDRESS 0 SA REG POINTER SA DATA[15:8] SA DATA[7:0] SA P FROM MASTER TO SLAVE FROM SLAVE TO MASTER S = START CONDITION SR = REPEATED START P = STOP CONDITION SA = SLAVE ACKNOWLEDGE A = NOT ACKNOWLEDGE 图 25. 将双字节数据写入 16 位 S SLAVE ADDRESS 0 SA POINT TO CH1 DATA HIGH REG (0x04) SA DATA[15:8] SA DATA[7:0] SA POINT TO COMMAND REG (0x00) SA DATA[15:8] SA DATA[7:0] SA P FROM MASTER TO SLAVE FROM SLAVE TO MASTER S = START CONDITION SR = REPEATED START P = STOP CONDITION SA = SLAVE ACKNOWLEDGE A = NOT ACKNOWLEDGE 图 26. 写入多个 Rev. B Page 22 of 28

23 从 AD7291 读取数据从 16 位读取双字节数据 从任一 16 位读取内容都是双字节读取操作 本协议 中, 处理的第一部分写入指针 设置好地址后, 可以对该特定执行任意次数的读操作, 而不必再次写入地址指针 完成所需次数的读操作后, 主机不应应答最后一个字节 这相当于通知从机停止传输, 以便主机能够置位停止条件 在后续的处理中可以再次读取该, 而不必重新写入指针 如果需要从不同的地址读取数据, 则必须将相关地址写入地址指针 同样, 对该可以执行任意次数的读操作 下例中, 主机从一个从机读取三组双字节数据, 但请注意, 可以读取所需任意组数的双字节数据 本协议假设特定地址已由一个对地址指针的单字节写操作设置 从 16 位读取双字节数据时, 命令序列如下 ( 参见图 27): 1. 主机在 SDA 上置位起始条件 2. 主机发送 7 位从机地址以及读取位 ( 高 ) 3. 具有相应地址的从机在 SDA 上置位应答 4. 主机接收一个数据字节 5. 主机在 SDA 上置位应答 6. 主机接收第二个数据字节 7. 主机在 SDA 上置位应答 8. 主机接收一个数据字节 9. 主机在 SDA 上置位应答 10. 主机接收第二个数据字节 11. 主机在 SDA 上置位应答 12. 主机接收一个数据字节 13. 主机在 SDA 上置位应答 14. 主机接收第二个数据字节 15. 主机在 SDA 上置位不应答, 通知从机数据传输已完成 16. 主机在 SDA 上置位停止条件以结束处理 S SLAVE ADDRESS 1 A DATA[15:8] A DATA[7:0] A DATA[15:8] A DATA[7:0] A DATA[15:8] A DATA[7:0] A P FROM MASTER TO SLAVE FROM SLAVE TO MASTER S = START CONDITION SR = REPEATED START P = STOP CONDITION A = ACKNOWLEDGE A = NOT ACKNOWLEDGE 图 27. 从转换结果读取三组双字节数据 Rev. B Page 23 of 28

24 工作模式 AD7291 首次接通电源时,ADC 以部分省电模式上电, 且不执行转换时通常保持此部分省电状态 主机寻址 AD7291 后, 它便退出部分省电模式 启动 AD7291 执行转换的方法有两种 : 命令模式和自动循环模式 命令模式在命令模式下,AD7291 根据需要在一个通道或一系列通道上执行转换 写入命令将使器件进入命令模式 这是默认工作模式, 可以在命令发生写入操作时随时自动选择转换 若要进入此模式, 请将所需的通道组合写入命令 ( 0x00) 写入操作后, 必须再次寻址 AD7291, 以指示需要读取操作 接着对电压或温度转换结果执行读取 首次转换发生时, 写入 AD7291 的地址指针必须指向电压转换结果或 T SENS E 转换结果 转换在读取前四个通道地址位的同时完成 对结果寄 存器启动下次读取时, 就会进行序列内的下一个转换 器件以快速模式工作时, 采集和转换时间总共需要约 4.45 μs ( 采集时间 1.25 μs 加转换时间 3.2 μs) 在命令模式下, 器件从序列中的最低选定通道循环至下一最低选定通道, 直至序列内的所有通道转换完成 要退出命令模式, 主机不应应答最后一个数据字节 这将使 AD7291 停止传输, 以便主机能够在总线上置位停止条件 在收到停止条件后,AD7291 停止转换并进入部分省电模式, 但保留命令的内容 一旦器件重新寻址并从电压转换启动读取,AD7291 便按先前选定的通道序列开始转换 转换序列从序列内的第一个选定通道开始转换 ; 例如, 如果选择通道 1 通道 2 和通道 3, 并且在读取通道 1 的结果后发生停止条件, 那么恢复转换后, 将重新转换通道 1, 转换序列继续进行 Rev. B Page 24 of 28

25 图 28 中的示例显示在 V IN0 V IN1 和 V IN2 组成的通道序列上执行转换的命令模式 1. 主机在 SDA 上置位起始条件 2. 主机发送 7 位从机地址以及写入位 ( 低 ) 3. 具有相应地址的从机 (AD7291) 在 SDA 上置位应答 4. 主机发送命令地址 (0x00) 5. 从机在 SDA 上置位应答 6. 主机向命令发送第一个数据字节 (0xE0), 命令选择 V IN0 V IN1 和 V IN2 通道 7. 从机在 SDA 上置位应答 8. 主机向命令发送第二个数据字节 (0x20) 9. 从机在 SDA 上置位应答 10. 主机发送结果地址 0x 从机在 SDA 上置位应答 12. 主机发送 7 位从机地址以及写入位 ( 高 ) 13. 从机 (AD7291) 在 SDA 上置位应答 15. 然后, 主机在 SDA 上置位应答 16. 主机接收第二个数据字节, 它包含通道转换结果的 VIN0 八个 LSB 然后, 主机在 SDA 上置位应答 17. 对通道 V IN1 和通道 V IN2 重复第 11 步和第 12 步 18. 主机接收到所有选定通道的转换结果之后, 从机再次转换, 并输出所选序列中第一个通道的转换结果 重复第 12 步至第 14 步 19. 主机在 SDA 上置位不应答, 并在 SDA 上置位停止条件, 以结束转换并退出命令模式 若要更改转换序列, 请再次向命令模式写入新的序列 如果在现有转换序列正在进行时对命令执行新的写操作, 则现有转换序列终止, 下一个转换从新序列的第一个选定通道开始执行 命令模式下, 采用 400 khz I 2 C 时钟可实现的最大吞吐速率为 (400 khz/18) = 22.2 ksps 14. 主机接收一个数据字节, 它包含通道地址位 通道 V IN0 转换结果的四个 MSB S SLAVE ADDRESS 0 SA POINT TO COMMAND REG (0x00) SA COMMAND = 0xE0 SA COMMAND = 0x20 SA... POINT TO RESULT REG (0x01) SA SR SLAVE ADDRESS 1 SA CH AD (0000) V IN0 [11:8] A... *... V IN0 [7:0] * A CH AD (0001) V IN1 [11:8] A V IN1 [7:0] A * * CH AD (0010) V IN2 [11:8] A V IN2 [7:0] CH ID (0000) A V IN0 [11:8] A V IN0 [7:0] A... V IN2 [7:0] A * = POSITION OF SAMPLING START P FROM MASTER TO SLAVE FROM SLAVE TO MASTER S = START CONDITION SR = REPEATED START P = STOP CONDITION SA = SLAVE ACKNOWLEDGE A = NOT ACKNOWLEDGE 图 28. 命令模式操作 Rev. B Page 25 of 28

26 自动循环模式 AD7291 可以配置成在可编程的通道序列上连续执行转换, 这种工作模式特别适合系统监控 此模式可用于监控仅在超出限值时发出报警的信号, 例如电池电压和温度 转换在后台发生, 间隔时间约为 50 μs, 对主机是透明的 任何通道的采集和转换时间总共仅需要约 3.6 μs 通常使用这种模式来自动监控选定的通道, 其中限值设置为通过报警功能提示超量程情况, 或者最小值 / 最大值记录器跟踪特定通道随时间的变化 读取和写入可以随时执行 (ADC 电压转换结果 0x01 包含最新转换结果 ) 上电期间, 此模式禁用 若要使能此模式, 请写入命令 ( 0x00) 中的位 D0, 并通过写入对应的通道位 ( 位 D15 至位 D8) 选择所需的转换通道 如果在配置内设置多个通道位,ADC 将从最低通道开始按通道序列自动循 环 一旦序列完成,ADC 将再次开始转换最低通道, 继续按序列循环, 直至退出自动循环模式 转换完成后, 将转换结果与限值的内容比较, 并自动更新报警状态 如果发现超出限值值,ALERT 引脚便以命令中位 D3 决定的极性置位 自动循环模式活动期间, 如果需要命令模式, 则必须先禁用自动循环模式, 然后才能进入命令模式 这可以通过将命令的位 D0 设置为 1 来实现 当命令模式转换完成后, 用户可通过将命令的位 D0 设为 1 重新使能自动循环模式 在自动循环模式下,AD7291 收到停止条件也不会进入部分省电模式 ; 因此转换和报警监控将继续正常进行 Rev. B Page 26 of 28

27 外形尺寸 PIN 1 INDICATOR SQ BSC PIN 1 INDICATOR EXPOSED PAD SQ SEATING PLANE TOP VIEW MAX 0.02 NOM COPLANARITY REF BOTTOM VIEW COMPLIANT TO JEDEC STANDARDS MO-220-WGGD. 图 引脚引脚架构芯片级封装 [LFCSP_WQ] 4 mm x 4 mm, 超薄体 (CP-20-8) 图示尺寸单位 :mm 0.25 MIN FOR PROPER CONNECTION OF THE EXPOSED PAD, REFER TO THE PIN CONFIGURATION AND FUNCTION DESCRIPTIONS SECTION OF THIS DATA SHEET B 订购指南 1 型号 温度范围 封装描述 封装选项 AD7291BCPZ AD7291BCPZ-RL7 EVAL-AD7291SDZ 40 C 至 +125 C 40 C 至 +125 C 20 引脚引脚架构芯片级封装 [LFCSP_WQ] 20 引脚引脚架构芯片级封装 [LFCSP_WQ] 评估板 CP-20-8 CP Z = 符合 RoHS 标准的器件 Rev. B Page 27 of 28

28 注释 I 2 C 指最初由 Philips Semiconductors( 现为 NXP Semiconductors) 开发的一种通信协议 2011 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Trademarks and registered trademarks are the property of their respective owners. D08711sc-0-10/11(B) Rev. B Page 28 of 28