# 多通道ADC模块技术文档

## 描述
本模块采用AD7606八通道同步采样ADC为核心，集成多路复用器和高精度参考电压源，实现16位分辨率、200kSPS的多路模拟信号同步采集。支持±5V和±10V双输入范围，内置可编程增益放大器和数字滤波器，具备过压保护功能，适用于工业控制、电力监测、传感器阵列、数据采集系统等需要多路同步采集的应用场合。

## 工作原理

### 系统框图
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模拟输入1-8 → 输入保护 → 多路复用 → 增益放大 → 同步采样 → 数字输出
     ↓           ↓          ↓         ↓          ↓          ↓
   信号调理     过压保护    通道切换   PGA放大   AD7606     SPI接口
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   阻抗匹配     钳位保护    8:1 MUX   可编程    S&H阵列   并行/串行
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参考电压源    保护电路    控制逻辑   增益控制   转换控制   接口控制
     ↑           ↑          ↑         ↑          ↑          ↑
 ADR4540      TVS管      数字控制    范围选择   时钟管理   微处理器
```

### 工作原理说明
多通道ADC模块采用AD7606作为核心转换器，这是ADI公司生产的16位、8通道、同步采样数据采集系统。AD7606集成了8个独立的SAR ADC、输入钳位保护、可编程增益放大器、基准电压源和数字接口，提供完整的多通道数据采集解决方案。

输入信号调理电路为每个通道提供统一的信号预处理。输入端采用高输入阻抗的仪表放大器结构，输入阻抗大于1MΩ，共模抑制比超过100dB。每个通道配置RC低通滤波器，截止频率设置为22kHz，有效抑制高频噪声和混叠失真。

输入保护电路采用多级保护策略。一级保护使用限流电阻和TVS瞬态抑制二极管，防止ESD和过压损坏。二级保护采用肖特基二极管钳位，将输入信号限制在电源轨范围内。AD7606内部还集成过压检测电路，输入超过±16.5V时自动关断相应通道，并提供告警信号。

AD7606内置8个独立的逐次逼近寄存器(SAR) ADC，每个ADC对应一个输入通道，实现真正的同步采样。同步采样消除了通道间的相位差，对于需要相位关系分析的应用非常重要，如三相电力系统监测、振动分析等。采样保持电路采用高精度采样电容，保持时间常数小于1μs。

可编程增益放大器(PGA)为每个通道提供两种输入范围：±5V和±10V。增益切换通过数字控制，可以软件配置每个通道的输入范围，适应不同幅度的输入信号。PGA采用斩波稳零技术，有效抑制失调漂移和1/f噪声，保证长期稳定性。

参考电压系统采用内部带隙基准和外部高精度基准相结合的方式。内部基准提供2.5V参考电压，温度系数典型值为5ppm/°C。外部基准接口支持ADR4540等超低噪声基准，可进一步提升系统精度。基准电压缓冲器提供足够的驱动能力，支持快速建立和低输出阻抗。

数字接口支持并行和串行两种模式。并行模式下，16位数据通过专用数据总线输出，转换时间约为2.85μs。串行模式采用SPI协议，支持菊花链连接多个AD7606器件，节省接口资源。数据格式为16位二进制补码，满量程对应±32768个数字码。

时钟和控制系统提供灵活的采样控制。转换启动可通过硬件CONVST信号或软件命令触发。支持单次转换和连续转换两种模式。内置转换时钟发生器，也可使用外部时钟源。转换完成信号BUSY提供转换状态指示，便于系统时序控制。

多路复用器扩展系统通道数量。通过外部模拟多路开关如ADG706，可将8个物理通道扩展到64个逻辑通道。多路复用采用时分方式，虽然失去同步采样特性，但显著增加了系统通道容量，适用于传感器阵列等应用。

电源管理采用多路低噪声稳压器。模拟电源和数字电源分离供电，减少数字开关噪声对模拟电路的影响。每路电源配置独立的滤波电容和铁氧体磁珠，进一步抑制电源噪声。电源时序控制器确保上电顺序正确，避免器件闩锁。

系统还集成温度监测、自检测试、校准存储等辅助功能。内置温度传感器实时监控芯片温度，支持温度补偿算法。自检模式可验证各通道功能正常。片内EEPROM存储校准参数，支持出厂校准和用户校准。

## 技术指标

| 参数 | 规格 |
|------|------|
| 通道数量 | 8路差分输入 |
| 分辨率 | 16位 |
| 最大采样率 | 200kSPS（所有通道同时） |
| 输入电压范围 | ±5V / ±10V可选 |
| 输入阻抗 | 1MΩ || （典型值） |
| 信噪比 | 90dB（典型值） |
| 总谐波失真 | -100dB（典型值） |
| 积分非线性 | ±2LSB（最大值） |
| 差分非线性 | ±1LSB（最大值） |
| 通道间串扰 | -100dB@1kHz |
| 转换时间 | 2.85μs（典型值） |
| 功耗 | 150mW（典型值） |

## 接口管脚定义

| 管脚号 | 信号名 | 类型 | 描述 |
|--------|--------|------|------|
| 1 | V1-V8 | 输入 | 8路模拟信号输入 |
| 2 | CONVST | 输入 | 转换启动控制信号 |
| 3 | BUSY | 输出 | 转换忙指示信号 |
| 4 | RESET | 输入 | 复位控制信号 |
| 5 | RANGE | 输入 | 输入范围选择信号 |
| 6 | D[15:0] | 输出 | 16位并行数据输出 |
| 7 | SCLK | 输入 | SPI串行时钟 |
| 8 | SDO | 输出 | SPI串行数据输出 |
| 9 | AVDD | 电源 | +5V模拟电源 |
| 10 | DVDD | 电源 | +5V数字电源 |

## 板上设置和信号指示

| 位号 | 信号名 | 默认值 | 说明 |
|------|--------|--------|------|
| SW1 | RANGE_SEL | ±10V | 输入范围选择开关（±5V/±10V） |
| SW2 | INTERFACE | 并行 | 接口模式选择开关（并行/SPI串行） |
| SW3 | TRIG_MODE | 软件 | 触发模式选择（软件/硬件/自动） |
| SW4 | OSR_SEL | 无 | 过采样率选择开关（无/2x/4x/8x） |
| JP1 | VREF_SEL | 内部 | 基准电压选择跳线（内部/外部） |
| JP2 | CH_EXPAND | 标准 | 通道扩展跳线（标准8路/扩展64路） |
| RV1 | VREF_TRIM | 中位 | 基准电压微调电位器 |
| LED1 | POWER_ON | 绿色 | 电源指示灯 |
| LED2 | CONV_BUSY | 红色 | 转换忙指示灯 |
| LED3 | OVR_VOLT | 黄色 | 过压保护指示灯 |

## 电气指标

| 参数 | 最小值 | 典型值 | 最大值 | 单位 |
|------|--------|--------|--------|------|
| 电源电压(AVDD) | 4.75 | 5.0 | 5.25 | V |
| 电源电压(DVDD) | 2.3 | 2.5 | 2.7 | V |
| 模拟电源电流 | 28 | 30 | 32 | mA |
| 数字电源电流 | 8 | 10 | 12 | mA |
| 工作温度 | -40 | 25 | +85 | ℃ |

## 使用说明

### 基本操作步骤：
1. **电源连接**：连接+5V模拟电源和+2.5V数字电源，确认LED1电源指示正常
2. **输入范围设置**：通过SW1选择合适的输入电压范围（±5V或±10V）
3. **接口配置**：通过SW2选择并行或SPI串行接口模式
4. **基准电压配置**：通过JP1选择内部基准或外部高精度基准电压源
5. **信号连接**：将8路模拟信号连接到V1-V8输入端，注意信号幅度匹配
6. **触发设置**：配置转换触发模式，软件触发或硬件CONVST信号
7. **数据读取**：通过并行端口或SPI接口读取16位转换结果

### 多通道采集编程示例：
```c
// AD7606寄存器定义
#define AD7606_CONFIG     0x02  // 配置寄存器
#define AD7606_CONVST     0x00  // 转换启动
#define AD7606_RANGE_5V   0x00  // ±5V输入范围  
#define AD7606_RANGE_10V  0x01  // ±10V输入范围

// 多通道同时采样
uint16_t adc_data[8];
void multi_channel_sample(void) {
    // 启动转换
    GPIO_SetBits(CONVST_PORT, CONVST_PIN);
    delay_us(1);
    GPIO_ResetBits(CONVST_PORT, CONVST_PIN);
    
    // 等待转换完成
    while(GPIO_ReadInputDataBit(BUSY_PORT, BUSY_PIN));
    
    // 读取8通道数据
    for(int i = 0; i < 8; i++) {
        adc_data[i] = read_parallel_data();
    }
}
```

### 性能优化建议：
- **信号调理**：输入信号幅度应充分利用满量程，避免量化噪声
- **基准电压**：使用外部高精度基准提升绝对精度
- **电源设计**：模拟数字电源分离，使用低噪声稳压器
- **PCB布局**：模拟数字分割，减少数字噪声耦合到模拟电路
- **屏蔽设计**：敏感信号线采用屏蔽措施，减少外界干扰

### 通道扩展配置：
通过外部多路复用器可扩展到64路输入：
- 使用8片8:1模拟开关（如ADG706）
- 时分复用方式，失去同步采样特性
- 适用于传感器阵列、温度巡检等应用
- 扩展后单通道采样率降低至25kSPS

### 故障排除：
- **读数异常**：检查基准电压稳定性，确认输入信号范围匹配
- **通道串扰**：优化PCB布局，增加通道间隔离
- **转换超时**：检查时钟信号，确认CONVST触发时序
- **精度不足**：校准零点偏移，使用高精度外部基准

## 适用的全国大学生电子设计竞赛赛题

### 多路数据采集类：
1. **多参数监测系统**
   - 多路温度巡检仪（2009年B题）
   - 环境参数检测装置（2011年B题）
   - 多功能数据采集系统（2013年B题）
   - 温度测量与控制系统（2015年B题）

2. **电力电子监测**
   - 三相正弦波变频电源（2005年A题）
   - 开关稳压电源（2003年B题）
   - 直流稳压电源（2019年A题）
   - 电动小车动态无线充电系统（2017年B题）

3. **工业控制应用**
   - 直流电动机转速控制系统（1997年B题）
   - 步进电机驱动控制系统（2009年B题）
   - 风力摆控制系统（2017年A题）
   - 智能送药装置（2021年A题）

### 传感器阵列应用：
4. **多点温度测量**
   - 数字式温度计（1995年A题）
   - 多路温度巡检仪（2009年B题）
   - 温度传感器测试仪（2017年B题）
   - 恒温箱控制系统（2019年B题）

5. **振动与位移检测**
   - 简易数字式重力加速度测量仪（2007年A题）
   - 液体点滴速度监测装置（2011年B题）
   - 微弱信号检测装置（2019年B题）
   - 结构健康监测系统（2021年B题）

### 多通道信号分析：
6. **音频信号处理**
   - 音频信号分析仪（2005年A题）
   - 音频功率放大器（2011年B题）
   - 声音导引系统（2013年A题）
   - 声音信号的识别装置（2021年A题）

7. **生物医学信号**
   - 心率测量仪（2003年B题）
   - 生物医学信号处理装置（2019年A题）
   - 多道生理参数监护仪（2021年B题）

### 电机驱动与控制：
8. **多相电机控制**
   - 三相异步电动机变频调速系统（2007年B题）
   - 四旋翼自主飞行器（2015年A题）
   - 无线充电电动小车（2019年B题）
   - 智能机器人控制系统（2023年A题）

### 电能质量监测：
9. **电力系统分析**
   - 数字式工频有效值多用表（1999年B题）
   - 低频数字式相位测量仪（2001年B题）
   - 三相电力参数测量装置（2015年B题）
   - 电能质量分析仪（2017年A题）

### 环境监测应用：
10. **多参数环境站**
    - 气象数据采集系统（2011年A题）
    - 空气质量监测装置（2019年A题）
    - 农业大棚监控系统（2021年B题）
    - 智能环境监测网络（2023年B题）

### 汽车电子应用：
11. **车载监测系统**
    - 汽车倒车雷达（2013年A题）
    - 电动汽车无线充电系统（2017年B题）
    - 智能车载监控装置（2019年B题）
    - 新能源汽车电池管理系统（2021年A题）

### 应用优势分析：
- **同步采样**：8通道真正同步采样，相位关系准确
- **高集成度**：单芯片解决方案，减少外围电路
- **宽输入范围**：±5V/±10V双范围适应不同信号
- **高精度**：16位分辨率，90dB信噪比
- **灵活接口**：并行/串行双接口，适应不同系统
- **完善保护**：过压保护、自检功能保证系统可靠性
- **易扩展性**：支持通道扩展和菊花链连接

本模块特别适合需要多路同步数据采集的竞赛项目，在电力监测、工业控制、传感器阵列、生物医学等领域具有广泛应用价值。其同步采样特性和高集成度使其成为多通道测量系统的理想选择。