在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高精度模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。德州儀器（TI）的ADS1255和ADS1256作為24位超低噪聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），為眾多對(duì)精度要求極高的應(yīng)用提供了完整的高分辨率測(cè)量解決方案。今天，我們就來深入了解這兩款轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)、工作原理以及應(yīng)用要點(diǎn)。

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一、產(chǎn)品概述

ADS1255支持一個(gè)差分或兩個(gè)單端輸入，擁有兩個(gè)通用數(shù)字I/O；而ADS1256支持四個(gè)差分或八個(gè)單端輸入，具備四個(gè)通用數(shù)字I/O。除了輸入和I/O數(shù)量的差異，二者在其他方面基本相同，在本文中統(tǒng)一簡(jiǎn)稱為ADS1255/6。

（一）產(chǎn)品特性

1. 高精度：具有24位分辨率，無丟碼現(xiàn)象，在所有數(shù)據(jù)速率和PGA設(shè)置下均可實(shí)現(xiàn)，最高可達(dá)23位無噪聲分辨率。
2. 低非線性：最大非線性誤差僅為±0.0010%，確保了測(cè)量的準(zhǔn)確性。
3. 高速數(shù)據(jù)輸出：數(shù)據(jù)輸出速率最高可達(dá)30kSPS，滿足快速數(shù)據(jù)采集的需求。
4. 靈活的輸入配置：ADS1256擁有四個(gè)差分輸入或八個(gè)單端輸入，可根據(jù)實(shí)際需求靈活選擇。
5. 低噪聲PGA：輸入?yún)⒖荚肼暤椭?7nV，有效降低了噪聲干擾。
6. 自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)：支持所有PGA設(shè)置下的自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)，可有效校正偏移和增益誤差。
7. 低功耗：正常模式下功耗低至38mW，待機(jī)模式下僅為0.4mW，適合對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用。

（二）工作原理

ADS1255/6由一個(gè)四階Delta-Sigma（ΔΣ）調(diào)制器和一個(gè)可編程數(shù)字濾波器組成。輸入多路復(fù)用器可處理差分或單端信號(hào)，并包含用于驗(yàn)證連接到輸入的外部傳感器完整性的電路?？蛇x的輸入緩沖器可顯著提高輸入阻抗，低噪聲可編程增益放大器（PGA）提供1到64的二進(jìn)制增益。可編程濾波器允許用戶在高達(dá)23位的無噪聲分辨率和高達(dá)30kSPS的數(shù)據(jù)速率之間進(jìn)行優(yōu)化。

二、關(guān)鍵性能指標(biāo)分析

（一）電氣特性

1. 模擬輸入：滿量程輸入電壓為±2VREF/PGA，輸入電壓范圍受緩沖器狀態(tài)影響。當(dāng)緩沖器關(guān)閉時(shí)，絕對(duì)輸入電壓范圍為AGND - 0.1到AVDD + 0.1V；當(dāng)緩沖器開啟時(shí)，范圍為AGND到AVDD - 2.0V。
2. PGA：增益范圍為1到64，不同增益設(shè)置下的輸入阻抗和性能有所差異。在選擇PGA時(shí)，應(yīng)根據(jù)最大輸入信號(hào)來確定最佳設(shè)置，以獲得最高分辨率。
3. 系統(tǒng)性能：分辨率為24位，無丟碼現(xiàn)象。數(shù)據(jù)速率可在2.5SPS到30kSPS之間編程，積分非線性誤差在不同PGA設(shè)置下有所不同。
4. 電壓參考輸入：參考輸入電壓范圍為0.5到2.6V，參考輸入阻抗為18.5kΩ（fCLKIN = 7.68MHz）。在進(jìn)行自增益校準(zhǔn)時(shí)，參考輸入范圍會(huì)受到緩沖器狀態(tài)的限制。

（二）噪聲性能

ADS1255/6的噪聲性能出色，可通過調(diào)整數(shù)據(jù)速率或PGA設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化。隨著數(shù)據(jù)速率的降低，噪聲相應(yīng)降低；PGA可在測(cè)量較低電平信號(hào)時(shí)降低輸入?yún)⒖荚肼?。文檔中提供了不同數(shù)據(jù)速率和PGA設(shè)置下的輸入?yún)⒖荚肼?、有效位?shù)（ENOB）和無噪聲分辨率的詳細(xì)表格，為工程師在實(shí)際應(yīng)用中選擇合適的參數(shù)提供了依據(jù)。

三、功能模塊詳解

（一）輸入多路復(fù)用器

輸入多路復(fù)用器允許任何模擬輸入引腳連接到轉(zhuǎn)換器的差分輸入，可靈活配置為差分或單端輸入。ADS1256提供九個(gè)模擬輸入，可配置為四個(gè)獨(dú)立的差分輸入、八個(gè)單端輸入或兩者的組合；ADS1255提供三個(gè)模擬輸入，可配置為一個(gè)差分輸入或兩個(gè)單端輸入。為了獲得最佳模擬性能，建議在差分測(cè)量時(shí)使用AIN0到AIN7，最好是相鄰的輸入；在單端測(cè)量時(shí)，使用AINCOM作為公共輸入，AIN0到AIN7作為單端輸入。

（二）開/短路傳感器檢測(cè)

傳感器檢測(cè)電流源（SDCS）可用于驗(yàn)證連接到ADS1255/6的外部傳感器的完整性。當(dāng)SDCS啟用時(shí)，會(huì)通過輸入多路復(fù)用器向傳感器提供約0.5μA、2μA或10μA的電流。在SDCS啟用時(shí)，ADS1255/6會(huì)自動(dòng)打開模擬輸入緩沖器，以防止輸入電路對(duì)SDCS產(chǎn)生負(fù)載。

（三）模擬輸入緩沖器

通過STATUS寄存器中的BUFEN位可啟用低漂移斬波穩(wěn)定緩沖器，以顯著增加ADS1255/6的輸入阻抗。緩沖器啟用時(shí)，輸入阻抗可根據(jù)不同的數(shù)據(jù)速率設(shè)置進(jìn)行調(diào)整，最高可達(dá)80MΩ（fCLKIN = 7.68MHz，數(shù)據(jù)速率≤50SPS）。但需要注意的是，緩沖器啟用時(shí)，模擬輸入電壓必須保持在AGND到AVDD - 2.0V之間，否則會(huì)影響性能。

（四）可編程增益放大器（PGA）

PGA可在測(cè)量較小輸入信號(hào)時(shí)提供更高的分辨率。ADS1255/6的滿量程輸入電壓為±2VREF/PGA，應(yīng)根據(jù)最大輸入信號(hào)選擇最佳的PGA設(shè)置。改變PGA設(shè)置后，建議重新校準(zhǔn)A/D轉(zhuǎn)換器，以確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。

（五）調(diào)制器輸入電路

ADS1255/6的調(diào)制器使用內(nèi)部電容器來測(cè)量輸入信號(hào)，這些電容器會(huì)不斷充電和放電。輸入采樣時(shí)間和電容器值與PGA設(shè)置有關(guān)，不同PGA設(shè)置下的輸入采樣時(shí)間和電容器值在文檔中有詳細(xì)表格。輸入電容器的充電會(huì)從驅(qū)動(dòng)ADS1255/6輸入的傳感器中吸取瞬態(tài)電流，可根據(jù)該電流計(jì)算有效阻抗。

（六）數(shù)字濾波器

可編程低通數(shù)字濾波器接收調(diào)制器輸出并產(chǎn)生高分辨率數(shù)字輸出。通過調(diào)整濾波量，可在分辨率和數(shù)據(jù)速率之間進(jìn)行權(quán)衡。濾波器由一個(gè)固定濾波器和一個(gè)可編程濾波器組成，數(shù)據(jù)速率與可編程濾波器的平均次數(shù)有關(guān)。數(shù)字濾波器可衰減調(diào)制器輸出上的噪聲，其低通特性在調(diào)制器速率的倍數(shù)處重復(fù)。

四、時(shí)序與控制

（一）串行接口

SPI兼容的串行接口由CS、SCLK、DIN和DOUT四個(gè)信號(hào)組成，允許控制器與ADS1255/6進(jìn)行通信。可編程功能通過一組片上寄存器進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)通過串行接口寫入和讀取這些寄存器。DRDY輸出線用于指示轉(zhuǎn)換是否完成，當(dāng)新數(shù)據(jù)可用時(shí)，DRDY變?yōu)榈碗娖健?/p>

（二）同步與轉(zhuǎn)換控制

ADS1255/6支持同步功能，可通過SYNC/PDWN引腳或SYNC命令實(shí)現(xiàn)。同步操作可協(xié)調(diào)A/D轉(zhuǎn)換與外部事件，并在模擬輸入發(fā)生瞬時(shí)變化后加快穩(wěn)定時(shí)間。此外，還支持單周期穩(wěn)定功能，可通過不同的方式控制轉(zhuǎn)換過程，如使用同步、輸入多路復(fù)用器或單觸發(fā)模式。

（三）校準(zhǔn)

ADS1255/6支持自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)，可通過一組五個(gè)命令（SELFOCAL、SELFGCAL、SELFCAL、SYSOCAL和SYSGCAL）實(shí)現(xiàn)。校準(zhǔn)可在任何時(shí)候進(jìn)行，但在許多應(yīng)用中，由于ADS1255/6的漂移性能較低，一次校準(zhǔn)通常就足夠了。建議在電源上電且參考電壓穩(wěn)定后執(zhí)行自校準(zhǔn)命令。

五、應(yīng)用建議

（一）硬件設(shè)計(jì)

為了獲得ADS1255/6的最佳性能，需要注意其支持電路和印刷電路板（PCB）設(shè)計(jì)。建議使用單一接地平面用于模擬和數(shù)字電源，并與旁路電容器和模擬調(diào)理電路共享。避免將該接地平面用于嘈雜的數(shù)字組件，如微處理器。同時(shí)，要注意電源旁路、參考和模擬輸入的處理，使用低等效串聯(lián)電阻（ESR）的電容器進(jìn)行旁路，確保參考電壓的低噪聲和低漂移。

（二）數(shù)字接口連接

ADS1255/6的5V容忍SPI、QSPI和MICROWIRE兼容接口可輕松連接到各種微控制器。文檔中提供了與TI的MSP430系列低功耗微控制器、具有SPI接口的微控制器（如TI的MSC12xx系列或68HC11系列）以及8xC51 UART的連接示例。

六、總結(jié)

ADS1255和ADS1256以其高精度、低噪聲、靈活的輸入配置和低功耗等特性，成為眾多高精度測(cè)量應(yīng)用的理想選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體需求合理選擇參數(shù)，注意硬件設(shè)計(jì)和接口連接，以充分發(fā)揮這兩款轉(zhuǎn)換器的性能。希望本文能為電子工程師在使用ADS1255/6時(shí)提供有價(jià)值的參考。你在使用這兩款轉(zhuǎn)換器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。