一、引言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高精度模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）一直是實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量的關(guān)鍵組件。TI公司的ADS1232和ADS1234（ADS123x）作為24位高精度ADC，憑借其出色的性能和豐富的功能，在稱(chēng)重秤、壓力傳感器等應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用。今天，我們就來(lái)深入剖析一下這兩款A(yù)DC的特點(diǎn)、性能以及應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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二、產(chǎn)品概述

2.1 主要特性

ADS123x系列ADC為橋式傳感器提供了完整的前端解決方案，具有以下顯著特性：

• 高分辨率：在增益為1時(shí)，有效分辨率可達(dá)23.5位；在增益為64時(shí)，無(wú)噪聲分辨率可達(dá)19.2位。
• 低噪聲：在增益為128、數(shù)據(jù)速率為10SPS時(shí)，RMS噪聲低至17nV。
• 可編程增益：可選增益為1、2、64和128，可根據(jù)不同的應(yīng)用需求靈活調(diào)整。
• 出色的干擾抑制：具有100dB的50Hz和60Hz同時(shí)抑制能力，有效減少工頻干擾。
• 靈活的時(shí)鐘選擇：支持內(nèi)部振蕩器和外部晶體或時(shí)鐘源，可適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。
• 簡(jiǎn)單的接口：采用兩線(xiàn)串行接口，方便與微控制器連接。
• 寬工作范圍：電源電壓范圍為2.7V至5.3V，工作溫度范圍為 - 40°C至 + 105°C。

2.2 應(yīng)用領(lǐng)域

ADS123x適用于多種需要高精度測(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)景，如：

• 稱(chēng)重秤：高精度的測(cè)量能力確保了稱(chēng)重的準(zhǔn)確性。
• PLC重量模塊：為工業(yè)自動(dòng)化中的重量監(jiān)測(cè)提供可靠支持。
• 壓力傳感器：能夠精確測(cè)量壓力變化。

三、技術(shù)細(xì)節(jié)分析

3.1 引腳配置與功能

ADS1232采用24引腳TSSOP封裝，ADS1234采用28引腳TSSOP封裝。每個(gè)引腳都有其特定的功能，例如：

• A0、A1：輸入MUX選擇引腳，用于選擇不同的輸入通道。
• AGND、DGND：分別為模擬地和數(shù)字地，確保信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。
• AINPx、AINNx：模擬輸入引腳，用于連接待測(cè)量的信號(hào)。
• AVDD、DVDD：分別為模擬電源和數(shù)字電源，為芯片提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)。
• GAIN0、GAIN1：增益選擇引腳，用于設(shè)置PGA的增益。
• REFP、REFN：參考電壓輸入引腳，為ADC提供參考電壓。
• DRDY/DOUT：數(shù)據(jù)就緒和數(shù)據(jù)輸出引腳，用于指示數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好并輸出數(shù)據(jù)。

3.2 電氣特性

ADS123x的電氣特性在不同的工作條件下有詳細(xì)的規(guī)定，如在 - 40°C至 + 105°C的溫度范圍內(nèi)，其各項(xiàng)性能指標(biāo)都能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。以下是一些關(guān)鍵的電氣特性：

• 分辨率：無(wú)丟碼分辨率為24位，確保了高精度的測(cè)量。
• 數(shù)據(jù)速率：可通過(guò)SPEED引腳選擇10SPS或80SPS的數(shù)據(jù)速率，滿(mǎn)足不同的應(yīng)用需求。
• 積分非線(xiàn)性（INL）：在不同增益下，INL都能控制在極小的范圍內(nèi)，保證了測(cè)量的準(zhǔn)確性。
• 輸入偏移誤差和增益誤差：經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后，輸入偏移誤差和增益誤差都能控制在較低水平，提高了測(cè)量的穩(wěn)定性。

3.3 噪聲性能

噪聲是影響ADC性能的重要因素之一。ADS123x通過(guò)可編程增益放大器（PGA）優(yōu)化了噪聲性能。不同的增益、數(shù)據(jù)速率和電壓參考值下，其噪聲性能有所不同。例如，在AVDD = 5V、VREF = 5V、數(shù)據(jù)速率為10SPS、增益為128時(shí)，RMS噪聲低至17nV。通過(guò)以下公式可以計(jì)算ADC的有效分辨率和無(wú)噪聲分辨率：

• 有效分辨率（位）= ln (FSR / RMS噪聲) / ln (2)
• 無(wú)噪聲分辨率（位）= ln (FSR / 峰 - 峰噪聲) / ln (2) 其中，F(xiàn)SR = 滿(mǎn)量程范圍 = VREF / 增益。

3.4 功能模塊

3.4.1 模擬輸入

ADS123x支持差分輸入和單端輸入。在測(cè)量單端信號(hào)時(shí)，需要根據(jù)增益的不同合理連接負(fù)輸入引腳。同時(shí)，模擬和參考輸入都受到ESD二極管的保護(hù)，提高了芯片的可靠性。

3.4.2 溫度傳感器（僅ADS1232）

ADS1232內(nèi)置溫度傳感器，通過(guò)設(shè)置TEMP引腳可以測(cè)量環(huán)境溫度。在PGA增益為1和2時(shí)，可以方便地測(cè)量溫度變化。

3.4.3 低噪聲PGA

PGA采用低漂移、低噪聲設(shè)計(jì)，由兩個(gè)斬波穩(wěn)定放大器和三個(gè)精確匹配的電阻構(gòu)成。通過(guò)GAIN1和GAIN0引腳可以設(shè)置PGA的增益為1、2、64或128。在增益為1或2時(shí)，可旁路增益為64的階段以節(jié)省功耗。

3.4.4 電壓參考輸入

參考電壓由REFP和REFN引腳之間的電壓差提供。為了提高參考輸入阻抗，采用了開(kāi)關(guān)緩沖電路。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意參考噪聲和漂移對(duì)ADC性能的影響。

3.4.5 時(shí)鐘源

ADS123x支持外部時(shí)鐘源、外部晶體或內(nèi)部振蕩器。通過(guò)CLKIN/XTAL1引腳可以選擇不同的時(shí)鐘源。在使用晶體時(shí)，需要將4.9152 - MHz的晶體連接在CLKIN/XTAL1和XTAL2引腳之間。

3.4.6 數(shù)字濾波器

采用sinc4數(shù)字濾波器，具有良好的低通特性。在不同的數(shù)據(jù)速率下，濾波器的 - 3dB截止頻率不同，能夠有效抑制特定頻率的干擾。

3.4.7 建立時(shí)間

在輸入多路復(fù)用器切換后，數(shù)字濾波器需要一定的時(shí)間來(lái)穩(wěn)定。一般情況下，第一次數(shù)據(jù)是完全穩(wěn)定的，但在某些情況下，如輸入發(fā)生大的變化，可能需要四個(gè)數(shù)據(jù)周期才能穩(wěn)定。

3.5 設(shè)備功能模式

除了正常的轉(zhuǎn)換模式外，ADS123x還具有偏移校準(zhǔn)模式、待機(jī)模式和掉電模式：

• 偏移校準(zhǔn)模式：通過(guò)額外的SCLK脈沖可以啟動(dòng)偏移校準(zhǔn)，校準(zhǔn)完成后DRDY/DOUT引腳變低，指示新數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好。
• 待機(jī)模式：將SCLK保持高電平可以進(jìn)入待機(jī)模式，此時(shí)大部分電路關(guān)閉，功耗顯著降低。退出待機(jī)模式后，第一個(gè)數(shù)據(jù)是有效的。
• 掉電模式：將PDWN引腳保持低電平可以進(jìn)入掉電模式，整個(gè)ADC電路關(guān)閉，功耗接近零。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)例

4.1 稱(chēng)重秤應(yīng)用

以ADS1232在稱(chēng)重秤系統(tǒng)中的應(yīng)用為例，其典型電路配置如下：

• 增益設(shè)置：將GAIN[1:0]引腳接邏輯高電平，選擇增益為128，以獲得最佳的噪聲性能。
• 輸入通道和數(shù)據(jù)速率選擇：將A0和TEMP引腳接地，選擇輸入通道1；將SPEED引腳接地，選擇數(shù)據(jù)速率為10SPS。
• 時(shí)鐘源選擇：將CLKIN/XTAL1引腳接地，選擇內(nèi)部振蕩器。
• 電源供應(yīng)：ADC的模擬電源和數(shù)字電源可以連接在一起，但需要確保電源干凈，無(wú)毛刺和瞬變。

4.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

• 電源供應(yīng)：在設(shè)備上電時(shí)，需要按照規(guī)定的PWDN引腳序列操作。使用低 dropout 調(diào)節(jié)器（LDO）可以減少開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的電壓紋波。同時(shí)，需要對(duì)電源進(jìn)行良好的去耦，在電源引腳附近連接0.1 - μF的電容。
• 布局設(shè)計(jì)：為了實(shí)現(xiàn)ADC的最佳性能，需要遵循良好的布局原則。例如，使用專(zhuān)用的接地層，避免數(shù)字走線(xiàn)靠近PGA輸出引腳和模擬輸入引腳，使用C0G電容等。

五、總結(jié)

ADS1232和ADS1234作為24位高精度ADC，具有高分辨率、低噪聲、靈活的增益選擇和多種功能模式等優(yōu)點(diǎn)，適用于多種高精度測(cè)量應(yīng)用。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要充分了解其引腳功能、電氣特性、噪聲性能和功能模塊，合理選擇應(yīng)用參數(shù)，并遵循良好的電源供應(yīng)和布局設(shè)計(jì)原則，以確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。希望本文能為電子工程師在使用ADS123x進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供一些有益的參考。你在使用ADS123x的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。