在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是連接模擬世界和數(shù)字世界的關(guān)鍵橋梁。今天，我們將深入探討德州儀器（Texas Instruments）的ADS1100，一款具有高性能和廣泛適用性的16位自校準(zhǔn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

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一、ADS1100概述

ADS1100采用微小的SOT23 - 6封裝，卻集成了完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它具備16位無丟失碼的高精度，最大積分非線性（INL）僅為滿量程范圍（FSR）的0.0125%，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)自校準(zhǔn)，確保測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。此外，它還擁有單周期轉(zhuǎn)換、可編程增益放大器（PGA）、低噪聲、可編程數(shù)據(jù)速率等特性，為各種應(yīng)用場景提供了強(qiáng)大的支持。

1.1 關(guān)鍵特性

• 高精度與自校準(zhǔn)：16位分辨率且無丟失碼，連續(xù)自校準(zhǔn)功能有效補(bǔ)償增益和偏移誤差，保證測量精度。
• 可編程特性：PGA增益可選1、2、4或8，數(shù)據(jù)速率可在8SPS至128SPS之間編程，滿足不同應(yīng)用對速度和精度的需求。
• 低功耗設(shè)計(jì)：工作電流僅90μA，電源電壓范圍為2.7V至5.5V，適用于對功耗敏感的便攜式設(shè)備。
• I2C接口：支持標(biāo)準(zhǔn)、快速和高速三種I2C總線模式，方便與微控制器或處理器連接。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

ADS1100的高性能和多特性使其在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，包括便攜式儀器、工業(yè)過程控制、智能變送器、消費(fèi)品、工廠自動(dòng)化和溫度測量等。

二、技術(shù)細(xì)節(jié)剖析

2.1 工作原理

ADS1100是一款全差分、16位、自校準(zhǔn)的Δ - Σ型ADC，主要由可調(diào)增益的Δ - Σ型A/D轉(zhuǎn)換器核心、時(shí)鐘發(fā)生器和I2C接口組成。

• A/D轉(zhuǎn)換器核心：采用差分開關(guān)電容Δ - Σ調(diào)制器和數(shù)字濾波器。調(diào)制器測量正負(fù)模擬輸入之間的電壓差，并與電源電壓（作為參考電壓）進(jìn)行比較；數(shù)字濾波器接收調(diào)制器的高速位流，輸出與輸入電壓成比例的代碼。
• 輸出代碼計(jì)算：輸出代碼是一個(gè)標(biāo)量值，與兩個(gè)模擬輸入之間的電壓差成正比。代碼范圍取決于數(shù)據(jù)速率，不同數(shù)據(jù)速率下的最小和最大代碼有所不同。
• 自校準(zhǔn)：內(nèi)置自校準(zhǔn)電路，連續(xù)自動(dòng)補(bǔ)償調(diào)制器的增益和偏移誤差，無需用戶干預(yù)，且校準(zhǔn)效果體現(xiàn)在電氣特性中的偏移和增益誤差數(shù)據(jù)中。

2.2 時(shí)鐘發(fā)生器

ADS1100內(nèi)置時(shí)鐘發(fā)生器，驅(qū)動(dòng)調(diào)制器和數(shù)字濾波器的運(yùn)行。時(shí)鐘頻率受電源電壓和溫度影響，且無法使用外部調(diào)制器時(shí)鐘。

2.3 輸入阻抗

采用開關(guān)電容輸入級，對外呈現(xiàn)近似電阻特性。差分輸入阻抗典型值為2.4MΩ/PGA，共模阻抗典型值為8MΩ。輸入阻抗會(huì)隨溫度略有漂移，在高精度應(yīng)用中需考慮其對測量精度的影響，必要時(shí)可使用緩沖器，但要注意緩沖器引入的噪聲、偏移和增益誤差。

2.4 抗混疊

當(dāng)輸入頻率超過數(shù)據(jù)速率的一半時(shí)，會(huì)發(fā)生混疊現(xiàn)象。ADS1100的數(shù)字濾波器對高頻噪聲有一定衰減作用，但仍可能需要外部抗混疊濾波器，如簡單的RC濾波器。設(shè)計(jì)輸入濾波器電路時(shí)，需考慮濾波器網(wǎng)絡(luò)與ADS1100輸入阻抗的相互作用。

三、操作模式與接口

3.1 操作模式

ADS1100有連續(xù)轉(zhuǎn)換和單轉(zhuǎn)換兩種操作模式。

• 連續(xù)轉(zhuǎn)換模式：持續(xù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，每次轉(zhuǎn)換完成后將結(jié)果存入輸出寄存器，并立即開始下一次轉(zhuǎn)換。配置寄存器中的ST/BSY位始終為1。
• 單轉(zhuǎn)換模式：等待轉(zhuǎn)換寄存器中的ST/BSY位設(shè)置為1，然后上電進(jìn)行單次轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后，將結(jié)果存入輸出寄存器，將ST/BSY位重置為0并斷電。在轉(zhuǎn)換過程中寫入1到ST/BSY位無效。

3.2 復(fù)位與上電

上電時(shí)，ADS1100自動(dòng)執(zhí)行復(fù)位操作，將配置寄存器的所有位設(shè)置為默認(rèn)值。它還響應(yīng)I2C通用調(diào)用復(fù)位命令，接收到該命令時(shí)執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位，如同剛上電一樣。

3.3 I2C接口

通過I2C接口進(jìn)行通信，支持多設(shè)備和多主設(shè)備在單總線上運(yùn)行。ADS1100只能作為從設(shè)備，通信時(shí)由主設(shè)備發(fā)起，遵循特定的起始、停止、地址和確認(rèn)規(guī)則。I2C總線有標(biāo)準(zhǔn)、快速和高速三種速度模式，ADS1100與所有模式兼容，高速模式需通過發(fā)送特殊地址字節(jié)激活。

3.4 寄存器

• 輸出寄存器：16位，以二進(jìn)制補(bǔ)碼格式存儲(chǔ)最后一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果。復(fù)位或上電后，輸出寄存器清零，直到第一次轉(zhuǎn)換完成。
• 配置寄存器：8位，用于控制ADS1100的操作模式、數(shù)據(jù)速率和PGA設(shè)置。默認(rèn)設(shè)置為8CH。

四、應(yīng)用電路與設(shè)計(jì)建議

4.1 基本連接

ADS1100的連接相對簡單，其全差分電壓輸入適合連接中等低源阻抗的差分源，如橋式傳感器和熱敏電阻。轉(zhuǎn)換時(shí)，0.1μF旁路電容為電源提供瞬間額外電流。I2C接口需在SDA和SCL線上使用上拉電阻，電阻大小取決于總線速度和電容。

4.2 多設(shè)備連接

ADS1100有八種不同的I2C地址版本，可輕松將多個(gè)設(shè)備連接到單總線上。每條總線只需一組上拉電阻，可能需要適當(dāng)降低電阻值以補(bǔ)償額外的總線電容。

4.3 GPIO模擬I2C

若沒有I2C控制器，可將ADS1100連接到GPIO引腳，通過軟件模擬I2C總線協(xié)議。在某些情況下，可省略SCL線上的上拉電阻以降低功耗，但需注意總線上其他設(shè)備是否會(huì)拉低時(shí)鐘線。

4.4 單端輸入測量

雖然ADS1100是全差分輸入，但可通過將一個(gè)輸入引腳接地，另一個(gè)引腳接輸入信號(hào)來測量單端信號(hào)。單端信號(hào)范圍為 - 0.2V至VDD + 0.3V，但會(huì)損失一位分辨率，可使用德州儀器的DRV134或THS4130來恢復(fù)分辨率。

4.5 低側(cè)電流監(jiān)測

可使用OPA335低漂移運(yùn)算放大器放大分流電阻上的電壓，然后由ADS1100讀取。建議ADS1100工作在增益為8的模式，以降低OPA335的增益設(shè)置。

4.6 惠斯通電橋傳感器測量

ADS1100的全差分高阻抗輸入級和內(nèi)部增益電路使其適合測量橋式傳感器?？芍苯訉⒒菟雇姌騻鞲衅鬟B接到ADS1100，使用單個(gè)小輸入電容抑制高頻干擾。通常，ADS1100在這種應(yīng)用中工作在增益為8的模式。

4.7 設(shè)計(jì)建議

• 過壓保護(hù)：模擬輸入引腳有保護(hù)二極管，但電流處理能力有限，可在輸入線上放置限流電阻以防止過壓損壞。
• 前端電路考慮：使用運(yùn)算放大器或其他前端電路時(shí)，需考慮其性能特性對整體系統(tǒng)的影響。
• PCB布局：電源作為參考電壓，需保證其干凈，電源濾波電容應(yīng)靠近VDD引腳，引腳走線應(yīng)盡量寬。

五、總結(jié)

ADS1100以其高精度、低功耗、可編程性和豐富的接口特性，成為眾多應(yīng)用場景下模數(shù)轉(zhuǎn)換的理想選擇。在設(shè)計(jì)過程中，我們需要充分理解其工作原理、操作模式和接口規(guī)范，結(jié)合具體應(yīng)用需求進(jìn)行合理的電路設(shè)計(jì)和布局，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。同時(shí)，要注意輸入阻抗、抗混疊、過壓保護(hù)等問題，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用ADS1100或其他類似ADC時(shí)遇到過哪些挑戰(zhàn)？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。