在電子設(shè)計領(lǐng)域，高精度模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）一直是實(shí)現(xiàn)精確測量和數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵組件。今天，我們將聚焦于德州儀器（Texas Instruments）的ADS1253，一款具備24位分辨率、20kHz數(shù)據(jù)速率的低功耗ADC，深入探討其特性、工作原理、應(yīng)用場景以及設(shè)計要點(diǎn)。

文件下載：ads1253.pdf

一、ADS1253的特性亮點(diǎn)

高精度與高分辨率

ADS1253擁有24位無失碼性能，有效分辨率高達(dá)19位，在20kHz的數(shù)據(jù)速率下仍能保持出色的精度。低噪聲特性（1.8ppm）使得它在處理微弱信號時表現(xiàn)卓越，能夠滿足各種高精度測量的需求。

豐富的輸入通道

該轉(zhuǎn)換器提供四個差分輸入通道，可同時處理多個模擬信號，適用于多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

靈活的參考電壓

支持0.5V至5V的外部參考電壓，用戶可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求靈活選擇參考電壓，以實(shí)現(xiàn)不同的測量范圍。

低功耗設(shè)計

在20kHz數(shù)據(jù)速率下功耗僅為8mW，10kHz時降至5mW，非常適合對功耗敏感的應(yīng)用場景，如便攜式儀器和電池供電設(shè)備。

多種工作模式

具備掉電模式和同步模式，方便用戶在不同的工作場景下進(jìn)行靈活配置，以優(yōu)化系統(tǒng)性能和功耗。

二、應(yīng)用場景廣泛

ADS1253的高精度和低功耗特性使其在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，包括但不限于：

• 醫(yī)療診斷：如心臟診斷、血液分析等，能夠精確采集生物電信號和生化參數(shù)。
• 工業(yè)控制：直接熱電偶接口、精密過程控制等，確保工業(yè)生產(chǎn)過程中的精確測量和控制。
• 儀器儀表：紅外高溫計、液相/氣相色譜儀等，為科學(xué)研究和實(shí)驗提供高精度的數(shù)據(jù)采集。

三、工作原理剖析

模擬輸入

ADS1253采用全差分模擬輸入結(jié)構(gòu)，基于全差分開關(guān)電容架構(gòu)設(shè)計，能夠提供低系統(tǒng)噪聲、98dB的共模抑制比和出色的電源抑制比。輸入電壓范圍為 - 4.096V至 + 4.096V（參考電壓為 + 4.096V時），輸入阻抗隨系統(tǒng)時鐘頻率變化。為確保最佳線性度，建議使用全差分信號，并保證兩側(cè)對地電容相等。

輸入多路復(fù)用器

通過CHS1和CHS0引腳選擇模擬輸入通道，推薦在完成前一通道的轉(zhuǎn)換并讀取數(shù)據(jù)后再進(jìn)行通道切換。通道切換后，內(nèi)部邏輯會在CLK的下降沿檢測到變化并重置轉(zhuǎn)換過程，新通道的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)在通道切換后的第一個DRDY信號有效。

delta - sigma調(diào)制器

ADS1253以8MHz的標(biāo)稱系統(tǒng)時鐘頻率工作，調(diào)制器頻率為系統(tǒng)時鐘頻率的1/6（即1.333MHz），過采樣率為64，數(shù)據(jù)速率為20.8kHz。系統(tǒng)時鐘頻率的變化會直接影響數(shù)據(jù)輸出速率，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的時鐘頻率。

參考輸入

參考輸入平均電流為32μA，推薦使用緩沖參考電路以確保穩(wěn)定的參考電壓。較高的參考電壓可以增加滿量程范圍，同時降低噪聲在滿量程中的占比，提高有效分辨率。

數(shù)字濾波器

采用Sinc5數(shù)字低通濾波器，根據(jù)系統(tǒng)時鐘頻率調(diào)整數(shù)據(jù)輸出速率，可在很寬的范圍內(nèi)進(jìn)行變化。濾波器的 - 3dB點(diǎn)為數(shù)據(jù)輸出速率的0.2035倍，用戶可以通過設(shè)置數(shù)據(jù)輸出速率來實(shí)現(xiàn)特定頻率的信號抑制，如50Hz和60Hz的工頻干擾。較低的數(shù)據(jù)輸出速率還能提供更好的信號抑制性能，但可能無法滿足系統(tǒng)的實(shí)時性要求，此時可以結(jié)合模擬前端設(shè)計和后續(xù)數(shù)字濾波來優(yōu)化系統(tǒng)性能。

控制邏輯

控制邏輯用于ADS1253的通信和控制，包括上電序列、DOUT/DRDY信號的處理以及多轉(zhuǎn)換器同步等功能。上電前，所有數(shù)字和模擬輸入引腳必須置低；上電后，DOUT/DRDY線會在第一次有效轉(zhuǎn)換時拉低，表示有新數(shù)據(jù)可供讀取。

四、設(shè)計要點(diǎn)與注意事項

隔離與布局

• 隔離：ADS1253的串行接口提供簡單的隔離方法，CLK信號可本地化，僅需SCLK和DOUT/DRDY兩個信號進(jìn)行隔離數(shù)據(jù)采集。通道選擇信號也需要進(jìn)行隔離，除非使用計數(shù)器自動復(fù)用通道。
• 電源供應(yīng)：電源必須穩(wěn)定且低噪聲，避免數(shù)字線路在器件下方布線，以防止噪聲耦合到芯片上，影響轉(zhuǎn)換結(jié)果。
• 接地設(shè)計：系統(tǒng)設(shè)計中的模擬和數(shù)字部分應(yīng)進(jìn)行清晰的分區(qū)，各自擁有獨(dú)立的接地平面，并通過適當(dāng)?shù)男盘栕呔€連接。對于多個轉(zhuǎn)換器，應(yīng)在所有轉(zhuǎn)換器的中心位置連接兩個接地平面。

系統(tǒng)考慮

在設(shè)計高分辨率系統(tǒng)時，需要綜合考慮電源供應(yīng)、接地、去耦等因素。對于簡單系統(tǒng)，可以采用共用電源和接地平面的方式；而對于復(fù)雜系統(tǒng)，應(yīng)將系統(tǒng)盡可能地拆分成多個獨(dú)立部分，每個ADS1253可以配備獨(dú)立的模擬處理前端。

五、數(shù)據(jù)格式與通信

ADS1253的數(shù)據(jù)以24位結(jié)果的形式輸出，采用偏移二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，MSB優(yōu)先傳輸。通信可以在檢測到上電后的第一個DOUT/DRDY脈沖后開始，數(shù)據(jù)必須在ADS1253進(jìn)入DRDY模式之前時鐘輸出，以確保接收到有效數(shù)據(jù)。

六、總結(jié)

ADS1253作為一款高性能的24位ADC，憑借其高精度、低功耗、豐富的功能和廣泛的應(yīng)用場景，為電子工程師提供了一個優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際設(shè)計中，我們需要深入理解其工作原理和特性，合理進(jìn)行布局和系統(tǒng)設(shè)計，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)采集和處理。

你在使用ADS1253或其他類似ADC的過程中遇到過哪些挑戰(zhàn)？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。