外置高精度 ADC 太贵？试试 HPM5100 内置高精度 ADC

前言

在工业数据采集领域，AD7606 凭借其出色的性能，成为高精度多通道采集方案中的代表性器件。它集成 16 位 ADC，支持 8 通道同步采样，每通道最高采样率达 200 kSPS，适用于电力线路监测与保护、多相电机控制、仪器仪表和多轴定位等场景。

AD7606 支持 ±5 V、±10 V 双极性输入，采用单 5 V 模拟电源供电，并提供串行、并行两种数据接口。在精度与噪声方面，其典型 INL、DNL 均为 ±0.5 LSB，典型 THD 为 −107 dB；在关闭过采样、1 kHz 正弦输入条件下，±10 V 和 ±5 V 量程的典型 SNR 分别为 90 dB、89 dB。这些性能使其能够满足多种工业测量与控制需求。

不过，性能与集成度之外，成本也是选型时绕不开的因素。ADI 官网列出的 AD7606 千片量级参考单价为 25.50 美元起，实际采购价格随型号、渠道及数量变化。对于成本敏感的产品，除了器件本身的费用，还需要考虑 PCB 面积、供电及主控接口资源等系统开销。

面对成本与性能的双重要求，是否还有更经济的采集方案？MCU 内置 ADC 能否在满足测量性能要求的同时，减少外部器件与系统成本？ 本文将以 HPM5100 内置 ADC 与 AD7606 为对象，通过直流跳码、输入折算噪声及动态采集性能和 DNL/INL 静态性能的对比测试，评估 MCU 内置 ADC 在实际应用中的替代潜力与适用边界。

1 直流稳定性测试

直流跳码测试用于观察恒定输入下 ADC 输出码值的波动，评价采集系统的直流稳定性。本次分别选取 0.5 V、1.65 V 和 3.0 V 三个直流输入点，对 HPM5100 内置 ADC 与 AD7606 进行测试。HPM5100 使用 16 位单端原始码，输入范围为 0～3.3 V；AD7606 设置为 ±5 V 量程。

测试采用同一直流信号源为两套采集板提供输入，并通过万用表确认实际输入电压。AD7606（特指原版 AD7606，下同） 支持 ±10 V 和 ±5 V 两档输入量程，本次选择 ±5 V 量程，采样率设为 200 kSPS。HPM5100 采用 0～3.3 V 输入量程，以 2 MSPS 进行原始采样，经 8 倍过采样平均与抽取后，获得 250 kSPS 的有效输出速率。

AD7606 测试板卡使用 EVAL-AD760xSDZ，搭载 AD7606BSTZ 芯片，通过连接 EVAL-SDP-CB1Z 对其进行信号采样，信号注入源采用 PSG 高精度信号源，如图所示：

AD7606 测试配置与结果

AD7606 直流测试结果如下：

在约 1.65 V 直流输入、±5 V 量程及 200 kSPS 采样率下，AD7606 的采样平均码值为 10823，最大码值为 10827，最小码值为 10821，峰峰跳码为 6 LSB，标准差为 0.7596 LSB。按 152.59 µV/LSB 换算，其输入折算峰峰噪声约为 0.916 mVpp，RMS 噪声约为 115.9 µV。本次测试的码值波动处于数个 LSB 的量级，与数据手册展示的典型直流码分布相近。

再分别测试 0.5 V、1.65 V 和 3.0 V 后 AD7606 测试直流跳码特性如下表所示：

HPM5100 测试板卡使用搭载 HPM5151INB1 的 ADC EVK 板卡，信号注入源采用 PSG 高精度信号源，如图所示：

HPM5100 测试配置与结果

HPM5100 直流测试结果如下：

在约 1.65 V 直流输入及开启硬件过采样以实现 250 kSPS 采样率条件下，HPM5100 的采样平均码值为 32798，最大码值为 32802，最小码值为 32795，峰峰跳码为 7 LSB，标准差为 0.85 LSB。按 16 位输出码对应的 50.35 µV/LSB 换算，输入折算峰峰噪声约为 0.352 mVpp，RMS 噪声约为 42.8 µV RMS，体现了该配置下较好的直流输出稳定性。

分别测试 0.5 V、1.65 V 和 3.0 V 后 HPM5100 测试直流跳码特性如下表所示：

直流噪声与响应特性对比

通过对 0.5 V、1.65 V 和 3.0 V 三个直流输入点的测试，在本次配置下，HPM5100 的输入折算峰峰噪声和 RMS 噪声均低于 AD7606，表现出较好的直流输出稳定性。其中，HPM5100 的 RMS 噪声约为 39.28～51.86 µV RMS，AD7606 约为 115.20～120.38 µV RMS，对应测试点的 RMS 噪声降低约 57%～66%。

HPM5100 以 8 倍硬件过采样平均后，仍可实现 250 kSPS 的有效输出速率，比 AD7606 的 200 kSPS 高出 25%。这表明，HPM5100 在获得降噪收益的同时，仍保持了相近且略高的数据更新能力。

在响应延迟方面，按连续 8 点等权平均计算，该处理引入的理论群延迟约为 1.75 µs，低于 AD7606 在 ±5 V 量程下内置模拟滤波器约 15 µs 的典型群延迟。不过，两种滤波环节的带宽与抗混叠作用不同，上述数值仅用于比较滤波环节的延迟，完整系统响应还需结合模拟前端、ADC 转换及数据传输进行评价。

综合来看，对于重视直流稳定性与低噪声的采集应用，HPM5100 内置 ADC 展现出良好的应用潜力。

2 信噪比与总谐波失真测试

为评估两套采集方案的动态性能，本次分别向 AD7606 与 HPM5100 板卡注入 2 kHz 正弦信号，采集数据并进行频谱分析，计算信噪比（SNR）和总谐波失真（THD），分别评价信号相对于噪声的强度，以及采集链路引入的谐波失真。

AD7606 本次采用 ±5 V 输入量程，HPM5100 采用 0～3.3 V 输入量程，因此需要根据各自输入要求设置正弦信号的幅度与直流偏置，应尽量采用相同的满量程利用率（dBFS），确保波形不超出量程、无削顶。由于输入幅度及其相对于满量程的比例会影响动态指标，测试结果将同时注明输入频率、峰峰值、直流偏置、采样率及过采样配置，以明确比较条件。

AD7606 动态性能

AD7606 测试结果如下：

以上测试结果与 AD7606 数据手册中的结果较为接近，规格书中 AD7606 在±5 V 输入范围 SINAD 最小 87 dB，典型值 89 dB。

接下来我们测试一下 HPM5100 的动态性能。

HPM5100 动态性能

HPM5100 测试结果如下：

动态性能对比

通过以上测试结果可以看出，在 2 kHz 正弦信号、接近各自满量程输入的测试条件下，AD7606 与 HPM5100 均表现出较好的动态采集性能。AD7606 的 SNR、THD 和 SINAD 分别为 88.77 dB、−101 dB 和 88.52 dB；HPM5100 分别为 87.57 dB、−98.56 dB 和 87.44 dB。相比之下，HPM5100 的 SNR 和 SINAD 分别低 1.20 dB、1.08 dB，THD 高 2.44 dB，说明 AD7606 在本次测试中的噪声与谐波失真控制方面仍有一定优势，而 HPM5100 的整体动态表现与其较为接近。

3 INL 与 DNL 测试

考虑到 AD7606 的 INL 和 DNL 测试环境搭建较为复杂，本文不对其开展实测，而是引用数据手册中的对应指标作为参考。

下图为 AD7606 数据手册中 INL 和 DNL 性能指标：

根据 AD7606 数据手册，其 DNL 和 INL 的典型值均为 ±0.5 LSB。其中 INL 采用端点法进行测量，在本次采用的 ±5 V、16 位配置下，1 LSB 对应约 152.59 µV，因此 DNL 对应的码宽偏差和 INL 对应的输入折算线性度偏差均约为 ±76.3 µV，体现了较好的码宽一致性与整体线性度，为高精度测量提供了良好基础。以此作为参考，下面通过实测考察 HPM5100 内置 ADC 的 INL 和 DNL，评估其在本次测试条件下的线性度表现。

HPM5100 线性度测试条件

测试结果如下：

线性度结果与比较边界

测试结果表明，在 8 次过采样、250 kSPS 数据输出率条件下，HPM5100 的实测 DNL 范围为 −0.236～+0.207 LSB，在本次测试覆盖的码值范围内未检测到缺码；采用端点法计算的 INL 范围为 −1.224～+0.896 LSB。按 0～3.3 V、16 位输出的标称 LSB 换算，1 LSB 约为 50.35 µV，对应的 DNL 码宽偏差为 −11.88～+10.42 µV，INL 输入折算线性度偏差为 −61.63～+45.12 µV，展现出当前配置下较好的线性度表现。

本次 HPM5100 采用正弦波码密度法进行测试，通过累计码分布估计码跃迁电压，并采用与 AD7606 数据手册一致的端点法定义计算 INL，使两者的 INL 参考直线定义保持一致。不过，HPM5100 为包含 8 次过采样处理的实测结果，AD7606 则引用手册典型指标，且测试条件与码值覆盖范围可能不同，因此该对比作为应用评估的参考，不直接等同于两款 ADC 原始转换线性度的优劣。

4 总结

通过本次直流噪声、动态性能及线性度测试，HPM5100 内置 ADC 展现出较好的综合采集能力。在所采用的采样与过采样配置下，其输入折算直流 RMS 噪声较 AD7606 对应测试点降低约 57%～66%；在约 2 kHz、接近各自满量程的正弦信号测试中，HPM5100 的 SNR 达到 87.57 dB、THD 达到 −98.56 dB，与 AD7606 的实测表现较为接近。

在线性度方面，HPM5100 在 8 次过采样、250 kSPS 数据输出率条件下，实测 DNL 为 −0.236～+0.207 LSB，采用端点法计算的 INL 为 −1.224～+0.896 LSB，在本次测试覆盖的码值范围内未检测到缺码。DNL 最大绝对偏差小于 0.24 LSB，INL 最大绝对偏差为 1.224 LSB，按 0～3.3 V、16 位输出的标称 LSB 折算，对应约 61.63 µV 的输入电压偏差。上述结果体现了当前配置下良好的码宽一致性与整体线性度，为 HPM5100 内置 ADC 应用于高精度信号采集提供了实测依据。

HPM5100 的优势还体现在采集与处理能力的集成上。芯片配备 4 个 ADC，多达 48 路 ADC 输入通道，可通过统一硬件触发实现最多 4 路信号同步采样；最高 400 MHz 的主频，内置 DSP 单元，内置 416 KB SRAM 和 1 MB 内置 Flash，为采样缓存、数字滤波、频谱分析及控制算法提供了计算与存储资源。片内集成的 4 个高速运算放大器还可结合外部阻容构建放大、缓冲或滤波电路，进一步减少外部器件。

根据应用需要，4 个 ADC 可以配置成差分模式，最多支持 12 路差分信号输入，最多支持两路差分信号同时采样。差分采集有助于抑制共模干扰，提高复杂电磁环境下的测量稳定性。典型情况下，差分模式比单端模式有效位约高 0.5 位，其实际收益取决于输入信号、通道匹配及噪声来源，具体性能应结合 HPM5100 数据手册条件和应用实测进行评价。

对于实时处理应用，HPM5100 将 ADC 采集、数据搬运与算法处理集成于片内，采样结果可通过 DMA 直接写入 RAM，供 CPU 执行后续运算，减少外部接口读取及处理器参与数据搬运的开销。按 2 MSPS 等间隔采样、8 点等权平均模型计算，平均滤波环节的理论群延迟为 1.75 µs；AD7606 在 ±5 V 量程下，模拟滤波器的典型群延迟为 15 µs，此外还需计入 ADC 转换及通过串行或并行接口读取数据的时间，其中读取耗时取决于接口速率、读取通道数量及读取时序。两者的滤波特性不同，完整系统延迟需结合实际配置评价，但 HPM5100 的片内集成架构为低延迟采集与实时控制提供了有利条件。当计算能力与外设资源满足整机需求时，原本由“外置 ADC＋主控 MCU”完成的任务可由一颗约 10 元 RMB 的 HPM5100 承担（不同芯片型号价格不同，具体价格请咨询代理商），从而减少接口占用、芯片间通信及 PCB 布线，实现性能与系统成本的综合优化。

本次测试仍有进一步完善的空间。直流、动态及线性度结果均反映特定配置下的表现，输入量程、输出速率和滤波条件的差异需要纳入评价；较低的直流噪声也不直接等同于更高的绝对测量准确度。本次尚未对偏移误差、增益误差及温漂进行专项测试，信号源失真、码密度测试的样本量与相位覆盖也可能影响结果。后续可补充上述误差指标，以及多频点、多通道同时采样、差分共模抑制和端到端延迟测试，并进一步比较两套方案在更高过采样倍率下的噪声与动态性能，结合输出速率、有效带宽及延迟的变化，完善对性能与应用适用性的评估。

综合本次测试结果，AD7606 在 8 通道同步采样和双极性输入应用中仍具有明确优势；HPM5100 则兼顾了良好的采集性能与较高的系统集成度，将采集、运算、存储及模拟信号调理资源集成于一颗芯片。对于通道数量、输入范围及测量性能要求能够满足的应用，HPM5100 内置 ADC 是一款非常值得考虑的替代方案，有助于简化硬件设计、减少外部器件，并以更低的系统成本实现信号采集与实时处理。