AD7190：高精度測量應(yīng)用的理想選擇

在電子工程師的設(shè)計工作中，高精度模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。ADI公司的AD7190，一款4.8 kHz超低噪聲24位Σ - Δ ADC，憑借其出色的性能和豐富的功能，成為了眾多高精度測量應(yīng)用的理想選擇。今天，我們就來深入了解一下這款芯片。

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一、AD7190的特性亮點

1. 低噪聲與高分辨率

AD7190的噪聲性能非常出色，在4.7 Hz、增益為128時，RMS噪聲僅為8.5 nV，在2.4 kHz、增益為128時，能達到16位無噪聲位，增益為1時，最高可達22.5位無噪聲位。這使得它在處理微弱信號時表現(xiàn)卓越，能夠滿足高精度測量的需求。

2. 低漂移特性

其偏移漂移為5 nV/°C，增益漂移為1 ppm/°C，并且有指定的隨時間漂移特性。這種低漂移特性保證了芯片在不同環(huán)境條件下的穩(wěn)定性，減少了因溫度變化等因素導(dǎo)致的測量誤差。

3. 多通道與靈活配置

芯片擁有2個差分或4個偽差分輸入通道，并配備自動通道排序器。這使得它可以同時處理多個信號源，并且能夠根據(jù)需要靈活配置輸入通道，大大提高了系統(tǒng)的集成度和靈活性。

4. 可編程增益與輸出數(shù)據(jù)率

可編程增益范圍為1到128，輸出數(shù)據(jù)率可在4.7 Hz至4.8 kHz之間調(diào)整。這種靈活性使得AD7190能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用場景，滿足各種信號處理的需求。

5. 電源與溫度范圍

模擬電源AVDD范圍為4.75 V至5.25 V，數(shù)字電源DVDD范圍為2.7 V至5.25 V，工作電流為6 mA，溫度范圍為 - 40°C至 + 105°C。這些參數(shù)表明它具有較好的電源適應(yīng)性和溫度穩(wěn)定性，能夠在較為惡劣的環(huán)境中正常工作。

6. 接口兼容性

采用3線串行接口，與SPI、QSPI?、MICROWIRE?和DSP兼容，并且SCLK上有施密特觸發(fā)器。這種接口設(shè)計方便與各種微控制器和數(shù)字信號處理器連接，簡化了系統(tǒng)設(shè)計。

7. 汽車應(yīng)用資質(zhì)

AD7190通過了汽車應(yīng)用認證，這意味著它在汽車電子等對可靠性要求極高的領(lǐng)域也能得到廣泛應(yīng)用。

二、AD7190的功能模塊

1. 模擬輸入通道

AD7190有兩個差分或四個偽差分模擬輸入通道，可選擇緩沖或非緩沖模式。在緩沖模式下，輸入通道連接到緩沖放大器的高阻抗輸入級，能容忍較大的源阻抗，適合直接連接外部電阻式傳感器，如應(yīng)變計或電阻溫度探測器（RTD）。非緩沖模式下，模擬輸入電流會增大，并且輸入路徑會給驅(qū)動源帶來動態(tài)負載，使用時需要注意外部電阻/電容組合可能引入的增益誤差。

2. 可編程增益放大器（PGA）

PGA的存在使得小幅度信號能夠在AD7190內(nèi)部進行放大，同時保持出色的噪聲性能。通過配置寄存器中的G2 - G0位，可以將增益設(shè)置為1、8、16、32、64或128。在不同增益設(shè)置下，配合外部參考電壓，可實現(xiàn)不同的輸入范圍，滿足多樣化的應(yīng)用需求。

3. 濾波器與輸出數(shù)據(jù)率

AD7190有sinc3和sinc4兩種濾波器可供選擇，通過模式寄存器中的SINC3位進行選擇。在低輸出數(shù)據(jù)率（<1 kHz）時，兩種濾波器的無噪聲分辨率相當；但在較高輸出數(shù)據(jù)率下，sinc4濾波器的無噪聲分辨率更好，且對50 Hz和60 Hz的抑制能力更強。

輸出數(shù)據(jù)率與濾波器類型、時鐘頻率以及模式寄存器中的FS[9:0]值有關(guān)。在不同的工作模式（斬波啟用或禁用）下，輸出數(shù)據(jù)率和建立時間的計算公式不同。例如，斬波禁用時，sinc4濾波器的建立時間為 (t{SETTLE }=4 / f{ADC }) ，sinc3濾波器的建立時間為 (t{SETTLE }=3 / f{ADC}) ；斬波啟用時，輸出數(shù)據(jù)率會降低，但建立時間會減少。

4. 時鐘源

芯片內(nèi)部集成了一個4.92 MHz的時鐘，其容差為±4%?？梢酝ㄟ^模式寄存器中的CLK1和CLK0位選擇使用內(nèi)部時鐘或外部晶體/時鐘作為時鐘源。使用外部晶體時，需將其連接在MCLK1和MCLK2引腳之間；使用外部時鐘源時，將其連接到MCLK2引腳，MCLK1引腳浮空。內(nèi)部時鐘還可以在MCLK2引腳輸出，方便多個ADC同步工作。

5. 校準功能

AD7190提供四種校準模式：內(nèi)部零刻度校準、內(nèi)部滿刻度校準、系統(tǒng)零刻度校準和系統(tǒng)滿刻度校準。校準可以在任何時候通過設(shè)置模式寄存器中的MD2 - MD0位進行。校準對于減少偏移誤差和增益誤差非常重要，特別是在增益改變時，建議進行校準操作。

6. 其他功能

• 參考檢測：通過配置寄存器中的REFDET位啟用參考檢測功能，當所選參考電壓在0.3 V至0.6 V之間時，狀態(tài)寄存器中的NOREF位會置1，此時轉(zhuǎn)換結(jié)果會被鉗位為全1。
• 溫度傳感器：芯片內(nèi)部集成了溫度傳感器，通過配置寄存器中的CH2位啟用。在雙極性模式下，溫度為0 K時，傳感器應(yīng)返回代碼0x800000。經(jīng)過單點校準后，傳感器的典型精度為±2 °C。
• 橋接電源關(guān)斷開關(guān)：在橋接應(yīng)用中，如應(yīng)變計和稱重傳感器，橋接電源關(guān)斷開關(guān)可用于在不使用時斷開橋接電路，以減少系統(tǒng)電流消耗。開關(guān)能承受30 mA的連續(xù)電流，最大導(dǎo)通電阻為10 Ω。
• 邏輯輸出：AD7190有四個通用數(shù)字輸出引腳P0 - P3，通過GPOCON寄存器中的GP32EN和GP10EN位啟用。這些引腳的邏輯電平由AVDD決定，可用于驅(qū)動外部電路，如外部多路復(fù)用器。

三、AD7190的應(yīng)用場景

1. 稱重秤

在稱重秤應(yīng)用中，AD7190可以直接連接到稱重傳感器的橋接網(wǎng)絡(luò)。傳感器的差分輸出電壓可以作為AD7190的輸入，橋接的激勵電壓可以直接作為ADC的參考電壓。同時，橋接電源關(guān)斷開關(guān)可以在不進行測量時斷開橋接電路，降低系統(tǒng)功耗。此外，為了減少調(diào)制器采樣頻率及其倍數(shù)處的噪聲，建議在每個模擬輸入上添加R - C抗混疊濾波器。

2. 應(yīng)變計傳感器

應(yīng)變計傳感器輸出的微弱信號可以通過AD7190的PGA進行放大，然后進行高精度的數(shù)字轉(zhuǎn)換。其低噪聲和高分辨率特性能夠準確測量應(yīng)變計的微小變化，適用于工業(yè)測量和結(jié)構(gòu)監(jiān)測等領(lǐng)域。

3. 壓力測量

在壓力測量應(yīng)用中，AD7190可以將壓力傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。其對50 Hz和60 Hz的良好抑制能力可以減少工頻干擾，提高測量的準確性。

4. 溫度測量

利用芯片內(nèi)部的溫度傳感器，可以實現(xiàn)對環(huán)境溫度的測量。經(jīng)過校準后，能夠滿足一定精度要求的溫度監(jiān)測需求。

5. 色譜分析

在色譜分析中，需要對微弱的信號進行高精度測量。AD7190的低噪聲和高分辨率特性使其能夠準確檢測色譜信號，為分析結(jié)果提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

6. PLC/DCS模擬輸入模塊

在可編程邏輯控制器（PLC）和分布式控制系統(tǒng)（DCS）中，AD7190可以作為模擬輸入模塊的核心部件，將各種模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，實現(xiàn)對工業(yè)過程的精確控制。

7. 醫(yī)療和科學(xué)儀器

在醫(yī)療和科學(xué)儀器領(lǐng)域，對測量精度和穩(wěn)定性要求極高。AD7190的出色性能能夠滿足這些應(yīng)用的需求，例如在生物醫(yī)學(xué)信號檢測、實驗室儀器等方面都有廣泛的應(yīng)用前景。

四、設(shè)計注意事項

1. 接地與布局

由于AD7190的模擬輸入和參考輸入是差分的，為了減少共模噪聲，需要將模擬和數(shù)字部分分開布局，并使用獨立的接地平面。同時，要注意避免數(shù)字電流流經(jīng)模擬地，避免在芯片下方鋪設(shè)數(shù)字線路，防止噪聲耦合。電源供應(yīng)線路應(yīng)盡可能寬，以降低阻抗，減少電源線上的干擾。

2. 濾波與去耦

在每個模擬輸入引腳連接R - C濾波器，以抑制調(diào)制器采樣頻率處的噪聲。同時，對模擬和數(shù)字電源進行適當?shù)娜ヱ?，將去耦電容盡可能靠近芯片放置，以提高電源的穩(wěn)定性。

3. 校準操作

在使用過程中，特別是在增益改變時，要及時進行校準操作，以確保測量的準確性。校準過程需要根據(jù)不同的校準模式和工作條件，合理安排校準時間和順序。

五、總結(jié)

AD7190以其低噪聲、高分辨率、靈活的配置和豐富的功能，為高精度測量應(yīng)用提供了一個強大的解決方案。無論是在工業(yè)控制、傳感器測量還是汽車電子等領(lǐng)域，它都能發(fā)揮重要作用。作為電子工程師，在設(shè)計過程中充分了解和利用AD7190的特性，結(jié)合合理的布局和校準操作，能夠設(shè)計出性能卓越的系統(tǒng)。你在使用AD7190的過程中遇到過哪些問題？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。