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，它直接影響著系統(tǒng)的性能和可靠性。德州儀器（TI）的ADS1258作為一款16通道、24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），憑借其出色的性能和豐富的特性，在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。今天，我們就來(lái)深入探討一下ADS1258的各項(xiàng)特性、工作原理以及實(shí)際應(yīng)用中的注意事項(xiàng)。

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一、ADS1258的特性亮點(diǎn)

1. 高精度與高分辨率

ADS1258擁有24位的分辨率，且無(wú)丟碼現(xiàn)象，能夠提供極其精確的數(shù)字輸出。其積分非線性僅為0.0003%，直流穩(wěn)定性也非常出色，典型的失調(diào)漂移為0.02μV/°C，增益漂移為0.4ppm/°C，確保了在不同環(huán)境溫度下的測(cè)量精度。

2. 靈活的輸入配置

該轉(zhuǎn)換器支持16個(gè)單端輸入或8個(gè)差分輸入，可根據(jù)實(shí)際需求靈活選擇輸入方式。同時(shí)，它支持單極性（+5V）或雙極性（±2.5V）操作，能適應(yīng)各種不同的信號(hào)類型。

3. 低噪聲與高速度

在1.8kSPS的數(shù)據(jù)速率下，ADS1258的噪聲低至(2.8 \mu V_{RMS})，有效降低了測(cè)量誤差。它還提供了固定通道和自動(dòng)通道掃描兩種模式，固定通道數(shù)據(jù)速率可達(dá)125kSPS，自動(dòng)掃描數(shù)據(jù)速率為23.7kSPS/通道，滿足了不同應(yīng)用場(chǎng)景下對(duì)速度的要求。

4. 豐富的功能特性

ADS1258具備開傳感器檢測(cè)功能，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)傳感器故障；轉(zhuǎn)換控制引腳方便用戶對(duì)轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行精確控制；多路復(fù)用器輸出可用于外部信號(hào)調(diào)理，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。此外，它還支持片上溫度、參考、失調(diào)、增益和電源電壓回讀，方便用戶對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和校準(zhǔn)。

5. 低功耗與多種工作模式

該轉(zhuǎn)換器的功耗僅為42mW，并支持待機(jī)、睡眠和掉電模式，有效降低了系統(tǒng)的功耗。在不同的工作模式下，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求靈活調(diào)整功耗，延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。

6. 通用輸入輸出接口

ADS1258提供了8個(gè)通用輸入輸出（GPIO）引腳，可用于連接外部設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和輸出控制，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的擴(kuò)展性。

7. 靈活的時(shí)鐘源

它可以使用32.768kHz的晶體振蕩器或外部時(shí)鐘作為時(shí)鐘源，滿足了不同應(yīng)用場(chǎng)景下對(duì)時(shí)鐘的要求。同時(shí)，內(nèi)部的PLL可以將時(shí)鐘輸出用于驅(qū)動(dòng)其他設(shè)備或控制器。

二、工作原理剖析

1. 輸入多路復(fù)用器

ADS1258的輸入多路復(fù)用器可以選擇連接到16個(gè)單端輸入、8個(gè)差分輸入或片上內(nèi)部變量。其輸出可以路由到外部引腳進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，也可以直接內(nèi)部連接到ADC輸入。在使用時(shí)，需要注意輸入電壓的范圍，確保不超過AVSS - 100mV至AVDD + 100mV，以避免ESD二極管導(dǎo)通影響測(cè)量結(jié)果。

2. 電壓參考輸入

電壓參考輸入（VREFP和VREFN）決定了ADC的參考電壓(V_{REF})。為了保證系統(tǒng)性能，需要使用高質(zhì)量的參考電壓，并注意參考引腳的電壓范圍，同樣要避免ESD二極管導(dǎo)通。參考輸入的負(fù)載可以用一個(gè)40kΩ的有效電阻來(lái)建模，因此在選擇外部參考源時(shí)需要考慮其源阻抗。

3. ADC輸入

ADC輸入（ADCINP和ADCINN）通過內(nèi)部電容對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換。采樣過程分為充電和放電兩個(gè)階段，重復(fù)周期為(t{SAMPLE}=2 / f{CLK})。在這個(gè)過程中，輸入電容會(huì)從驅(qū)動(dòng)源吸取瞬態(tài)電流，其平均電流可以用來(lái)計(jì)算有效阻抗，且該阻抗與(CLK)成反比。

4. 主時(shí)鐘

ADS1258需要一個(gè)高頻主時(shí)鐘來(lái)進(jìn)行過采樣。時(shí)鐘源可以選擇內(nèi)部振蕩器（搭配外部晶體）或外部時(shí)鐘。CLKSEL引腳決定了系統(tǒng)時(shí)鐘的來(lái)源，CLKIO引腳可以作為輸入或輸出使用。當(dāng)使用外部晶體振蕩器時(shí)，需要連接一個(gè)22nF的PLL濾波電容到AVSS引腳，并將CLKENB位設(shè)置為使能時(shí)鐘輸出。

5. 數(shù)字濾波器

數(shù)字濾波器由一個(gè)固定的五階sinc濾波器和一個(gè)可編程的平均器組成。數(shù)據(jù)從模擬調(diào)制器以(f{CLK} / 2)的速率輸入到濾波器，固定濾波器的抽取值為64，輸出數(shù)據(jù)速率為(f{CLK} / 128)?？删幊唐骄鞯钠骄螖?shù)由DRATE[1:0]位設(shè)置，通過調(diào)整濾波量，可以在分辨率和數(shù)據(jù)速率之間進(jìn)行權(quán)衡。

6. 調(diào)制器

調(diào)制器將模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換為脈沖編碼調(diào)制（PCM）數(shù)據(jù)流。當(dāng)差分模擬輸入接近參考電壓時(shí)，PCM數(shù)據(jù)流中“1”的密度最高；當(dāng)輸入接近零時(shí)，“0”和“1”的密度幾乎相等。四階調(diào)制器將量化噪聲轉(zhuǎn)移到高頻區(qū)域，便于數(shù)字濾波器進(jìn)行去除。同時(shí)，調(diào)制器會(huì)持續(xù)對(duì)輸入進(jìn)行斬波，提高了失調(diào)和失調(diào)漂移性能，但對(duì)于外部電路產(chǎn)生的失調(diào)或失調(diào)漂移，需要使用外部斬波功能來(lái)消除。

7. 數(shù)據(jù)速率計(jì)算

數(shù)據(jù)速率取決于系統(tǒng)時(shí)鐘頻率(f_{CLK})和轉(zhuǎn)換器配置，可以通過特定的公式進(jìn)行計(jì)算。在自動(dòng)掃描模式和固定通道模式下，數(shù)據(jù)速率的計(jì)算公式有所不同，具體可參考文檔中的相關(guān)公式。

三、實(shí)際應(yīng)用中的注意事項(xiàng)

1. 硬件設(shè)計(jì)

• 電源供應(yīng)：ADS1258可以接受單+5V電源或雙極性電源（通常為AVDD = +2.5V，AVSS = -2.5V），數(shù)字電源（DVDD）范圍為2.7V至5.25V。為了減少電源噪聲，建議在靠近器件引腳處使用10μF鉭電容和0.1μF陶瓷電容進(jìn)行旁路，或者使用單個(gè)10μF陶瓷電容。同時(shí)，電源應(yīng)避免與產(chǎn)生電壓尖峰的設(shè)備共享。
• 模擬輸入：16通道模擬輸入多路復(fù)用器提供了多種輸入配置選項(xiàng)，但輸入信號(hào)的絕對(duì)電壓不能超過模擬電源軌±100mV。對(duì)于超過電源軌的輸入信號(hào)，需要進(jìn)行分壓處理。在固定通道模式下，可以任意選擇正輸入和負(fù)輸入通道。
• 輸入過載保護(hù)：為了防止多路復(fù)用器輸入過載影響其他通道的轉(zhuǎn)換，建議使用外部肖特基二極管鉗位和串聯(lián)電阻進(jìn)行保護(hù)。
• ADC輸入：在ADS1258的外部多路復(fù)用器環(huán)路中，可以加入信號(hào)調(diào)理電路，如放大器，以提供增益、緩沖和濾波功能。為了獲得最佳性能，建議使用差分輸入驅(qū)動(dòng)ADC。同時(shí)，要注意電源供應(yīng)順序和潛在的過壓故障情況，可以使用保護(hù)電阻和外部鉗位二極管進(jìn)行保護(hù)。
• 參考輸入：參考輸入應(yīng)使用低阻抗源驅(qū)動(dòng)，并在參考引腳之間直接連接10μF鉭電容和0.1μF陶瓷電容。當(dāng)退出睡眠模式時(shí)，要確保參考驅(qū)動(dòng)器的瞬態(tài)響應(yīng)足夠快，或者丟棄前幾個(gè)讀數(shù)。
• 時(shí)鐘源：內(nèi)部振蕩器使用PLL電路和外部32.768kHz晶體生成15.7MHz主時(shí)鐘，需要在PLLCAP引腳和AVSS之間連接22nF電容。晶體和負(fù)載電容應(yīng)盡量靠近引腳放置，避免與其他交流組件的走線靠近。外部時(shí)鐘源的頻率最高可達(dá)16MHz，為了獲得最佳性能，SPI接口控制器和轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘應(yīng)在同一域內(nèi)。
• 數(shù)字輸入輸出：建議在器件的數(shù)字輸入輸出端使用50Ω（典型值）的串聯(lián)電阻進(jìn)行源端匹配，以減少數(shù)字線路上的振鈴和過沖。
• 硬件引腳：START、DRDY、RESET和PWDN引腳可以直接控制ADS1258，也可以通過SPI接口使用相應(yīng)的命令進(jìn)行控制。PWDN引腳可將ADC置于低功耗狀態(tài)。
• SPI接口：ADS1258的SPI接口由CS、SCLK、DIN和DOUT四個(gè)信號(hào)組成。當(dāng)CS為高電平時(shí)，DIN輸入被忽略，DOUT輸出呈高阻態(tài)。SPI接口可以在不使用CS的情況下進(jìn)行最小配置（將CS接地）。
• GPIO：ADS1258的8個(gè)GPIO引腳可通過寄存器設(shè)置進(jìn)行輸入輸出配置。如果不使用這些引腳，應(yīng)將其拉高或拉低，避免浮空。
• QFN封裝：對(duì)于QFN封裝的ADS1258，其暴露的散熱焊盤應(yīng)與AVSS電氣連接，具體的PCB布局建議可參考應(yīng)用筆記SLUA271。

2. 配置與通信

• 配置寄存器：通過SPI接口對(duì)ADS1258的配置寄存器進(jìn)行設(shè)置，包括輸入模式、數(shù)據(jù)速率、斬波功能等。在配置過程中，需要注意寄存器的默認(rèn)值和各個(gè)位的功能。
• 通信協(xié)議：ADS1258通過SPI接口進(jìn)行通信，支持多種命令，如通道數(shù)據(jù)讀取、寄存器讀寫、脈沖轉(zhuǎn)換、復(fù)位等。在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，可以選擇直接讀取或寄存器格式讀取，需要注意與DRDY信號(hào)的同步，避免數(shù)據(jù)丟失。

3. 應(yīng)用案例

• 醫(yī)療設(shè)備：ADS1258的高精度和低噪聲特性使其非常適合用于醫(yī)療設(shè)備中的信號(hào)采集，如心電圖（ECG）、腦電圖（EEG）等監(jiān)測(cè)設(shè)備，能夠準(zhǔn)確地采集人體生物電信號(hào)。
• 航空電子：在航空電子領(lǐng)域，對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性要求極高。ADS1258的高分辨率和穩(wěn)定性可以滿足航空電子系統(tǒng)中對(duì)傳感器數(shù)據(jù)采集的需求，如飛行參數(shù)監(jiān)測(cè)、導(dǎo)航系統(tǒng)等。
• 工業(yè)系統(tǒng)：在工業(yè)控制系統(tǒng)中，ADS1258可用于多通道儀器儀表的快速掃描，如溫度、壓力、流量等參數(shù)的測(cè)量。其靈活的輸入配置和自動(dòng)掃描功能可以提高系統(tǒng)的效率和可靠性。
• 測(cè)試與測(cè)量系統(tǒng)：對(duì)于需要高精度測(cè)量的測(cè)試與測(cè)量系統(tǒng)，ADS1258是一個(gè)理想的選擇。它可以對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行精確測(cè)量，并提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)輸出。

四、總結(jié)

ADS1258作為一款高性能的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有高精度、低噪聲、靈活配置等諸多優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，通過合理的硬件設(shè)計(jì)、正確的配置和通信方式，可以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，滿足各種不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。希望本文對(duì)電子工程師們?cè)谑褂肁DS1258進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)有所幫助。你在使用ADS1258的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)留言討論。