德州儀器ADS7871：低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理想之選

在電子工程師的設(shè)計(jì)工作中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。德州儀器（TI）的ADS7871作為一款完整的低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片，具有諸多出色的特性，能夠滿足多種應(yīng)用場景的需求。下面我們就來詳細(xì)了解一下這款芯片。

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一、ADS7871的特性亮點(diǎn)

1. 增益靈活可編程

ADS7871的可編程增益放大器（PGA）提供了1、2、4、5、8、10、16、20 V/V的增益選擇。這種豐富的增益選項(xiàng)使得它能夠適應(yīng)不同幅度的輸入信號，對于低至125 mV的信號也能產(chǎn)生滿量程的數(shù)字輸出，無需在信號源和A/D輸入之間進(jìn)行外部放大或阻抗緩沖，大大簡化了電路設(shè)計(jì)。

2. 多樣的輸入配置

它支持多達(dá)4通道差分輸入、8通道單端輸入或兩者的組合。這種靈活的輸入配置方式可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行選擇，滿足不同的信號采集要求。

3. 內(nèi)部參考電壓

芯片內(nèi)部集成了1.15-V、2.048-V或2.5-V的參考電壓，并且經(jīng)過微調(diào)，具有較高的初始精度和溫度穩(wěn)定性，典型漂移為10 ppm/°C。在多個(gè)ADS7871共享一個(gè)公共參考的情況下，也可以使用外部參考。

4. 兼容的串行接口

ADS7871采用SPI/DSP兼容的串行接口（≤20 MHz），支持SPI?、QSPI?、Microwire?和8051-family等協(xié)議，無需額外的膠合邏輯，方便與各種微控制器進(jìn)行連接。

5. 高吞吐量

芯片的吞吐量速率可達(dá)48 kSamples/sec，能夠快速準(zhǔn)確地采集數(shù)據(jù)，滿足實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用場景。

6. 錯(cuò)誤過載指示

具備錯(cuò)誤過載指示器，能夠及時(shí)反饋PGA輸出是否出現(xiàn)削波或非線性操作的情況，方便工程師進(jìn)行故障排查和系統(tǒng)優(yōu)化。

7. 可編程輸出格式

輸出數(shù)據(jù)可以選擇2s補(bǔ)碼或二進(jìn)制格式，并且可以通過串行接口進(jìn)行4位數(shù)字I/O操作，增加了系統(tǒng)的靈活性。

8. 寬電源電壓范圍

支持2.7-V至5.5-V的單電源供電，適用于多種電源環(huán)境，降低了電源設(shè)計(jì)的難度。

9. 引腳兼容

ADS7871與ADS7870引腳兼容，方便工程師在現(xiàn)有設(shè)計(jì)中進(jìn)行替換和升級。

10. 小封裝

采用SSOP-28封裝，體積小巧，適合對空間要求較高的應(yīng)用場景。

二、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

1. 便攜式電池供電系統(tǒng)

由于其低功耗的特性，ADS7871非常適合用于便攜式電池供電系統(tǒng)，能夠有效延長電池的使用壽命。

2. 低功耗儀器儀表

在低功耗儀器儀表中，ADS7871可以準(zhǔn)確地采集各種信號，為儀器的正常運(yùn)行提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

3. 低功耗控制系統(tǒng)

在低功耗控制系統(tǒng)中，它能夠快速采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的精確控制。

4. 智能傳感器應(yīng)用

與智能傳感器配合使用時(shí)，ADS7871可以將傳感器采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理。

三、電氣特性分析

1. 模擬輸入特性

• 輸入電壓范圍：在線性操作時(shí)，輸入電壓范圍為 -0.2 V至VDD + 0.2 V。
• 輸入電容：輸入電容在轉(zhuǎn)換周期內(nèi)會(huì)發(fā)生變化，正常情況下為4 pF。
• 輸入阻抗：共模輸入阻抗和差模輸入阻抗分別為7 MΩ。
• 通道間串?dāng)_：在VI = 2 VPP、60 Hz的測試條件下，通道間串?dāng)_可達(dá)100 dB。
• 最大泄漏電流：最大泄漏電流為100 pA。

2. 靜態(tài)精度特性

• 分辨率：分辨率為14位，能夠提供較高的測量精度。
• 無漏碼：在增益為1至20 V/V的范圍內(nèi)，無漏碼位數(shù)為13位。
• 積分線性度：積分線性度在 -4至±2 LSB之間。
• 差分線性度：差分線性度在 -2至±0.5 LSB之間。
• 偏移誤差：偏移誤差在 -24至±1 LSB之間。
• 滿量程增益誤差：在不同的增益和配置下，滿量程增益誤差有所不同，但都在較小的范圍內(nèi)。

3. 動(dòng)態(tài)特性特性

• 吞吐量速率：連續(xù)模式下單通道和不同通道的吞吐量速率均可達(dá)48 ksample/s。
• 內(nèi)部振蕩器頻率：內(nèi)部振蕩器頻率為2.5 MHz。
• 串行接口時(shí)鐘：串行接口時(shí)鐘SCLK最大可達(dá)20 MHz。
• 數(shù)據(jù)設(shè)置時(shí)間和保持時(shí)間：數(shù)據(jù)設(shè)置時(shí)間和保持時(shí)間均為10 ns。

4. 數(shù)字輸入輸出特性

• 邏輯電平：低電平輸入電壓VIL最大為0.8 V，高電平輸入電壓VIH根據(jù)VDD的不同而有所變化。
• 輸入電流：低電平輸入電流IIL和高電平輸入電流IIH均為1 μA。
• 數(shù)據(jù)編碼：數(shù)據(jù)編碼為二進(jìn)制2s補(bǔ)碼。
• 輸出電壓：低電平輸出電壓VOL和高電平輸出電壓VOH在不同的負(fù)載電流下有不同的值。
• 泄漏電流：高阻態(tài)下的泄漏電流最大為1 μA。
• 輸出電容：輸出電容為5 pF。

5. 電壓參考特性

• 參考電壓：參考電壓可以設(shè)置為1.15 V、2.048 V或2.5 V，輸出精度較高。
• 輸出驅(qū)動(dòng)：輸出驅(qū)動(dòng)能力為±0.6 μA。

6. 參考緩沖器特性

• 輸入電壓：輸入電壓范圍為0.9 V至VDD - 0.2 V。
• 輸入阻抗：輸入阻抗為1000 GΩ。
• 輸入偏移：輸入偏移在 -10至±1 mV之間。
• 輸出電壓精度與溫度：輸出電壓精度與溫度的關(guān)系在 -0.25至±0.05 %FSR之間，溫度系數(shù)為10至50 ppm/°C。
• 輸出驅(qū)動(dòng)：輸出驅(qū)動(dòng)能力為20 mA。

7. 電源要求特性

• 電源電壓：電源電壓范圍為2.7 V至5.5 V。
• 電源電流：在不同的采樣速率和工作模式下，電源電流有所不同。
• 功耗：功耗也會(huì)隨著采樣速率和工作模式的變化而變化。

8. 溫度范圍特性

• 工作溫度范圍：工作溫度范圍為 -40 °C至85 °C。
• 存儲溫度范圍：存儲溫度范圍為 -65 °C至150 °C。
• 熱阻：熱阻為65 °C/W。

四、功能模塊詳解

1. 多路復(fù)用器（MUX）

ADS7871的多路復(fù)用器有8個(gè)模擬信號輸入引腳（LN0 - LN7），可以配置為8個(gè)單端輸入、4個(gè)差分輸入或其他組合。通過Gain/Mux寄存器中的4位來控制開關(guān)，并且可以通過MUX地址中的M2位改變輸入引腳的差分極性，方便調(diào)整轉(zhuǎn)換結(jié)果的極性。同時(shí)，輸入引腳具有ESD保護(hù)電路，在輸入電壓超出絕對最大電壓范圍時(shí)，需要串聯(lián)電阻來限制電流。

2. 轉(zhuǎn)換時(shí)鐘（CCLK）

轉(zhuǎn)換時(shí)鐘（CCLK）及其衍生信號被電壓參考、PGA和A/D轉(zhuǎn)換器使用。CCLK引腳可以作為輸入或輸出，通過OSC ENABLE引腳進(jìn)行控制。當(dāng)OSC ENABLE為低時(shí)，CCLK為輸入；當(dāng)OSC ENABLE為高時(shí)，內(nèi)部振蕩器和內(nèi)部緩沖器啟用，CCLK為輸出。此外，內(nèi)部參考需要連續(xù)時(shí)鐘，可以通過設(shè)置OSCR和REFE位來實(shí)現(xiàn)。ADS7871還采用了電源節(jié)省技術(shù)，根據(jù)需要開啟和關(guān)閉PGA和A/D的偏置，但振蕩器、參考和緩沖器在啟用后會(huì)持續(xù)運(yùn)行。串行接口時(shí)鐘獨(dú)立于轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，可以通過設(shè)置寄存器3中的位來對時(shí)鐘進(jìn)行分頻，以滿足不同的應(yīng)用需求。

3. 電壓參考和緩沖放大器

ADS7871采用了專利的開關(guān)電容帶隙參考實(shí)現(xiàn)方式，具有曲率校正功能，可通過軟件配置輸出1.15 V、2.048 V或2.5 V的電壓。內(nèi)部參考輸出（VREF）不能直接驅(qū)動(dòng)典型負(fù)載，需要使用單獨(dú)的緩沖放大器來提供負(fù)載電流。內(nèi)部參考緩沖器（REFBUF）可以快速為濾波電容充電，但吸收電流能力較弱。在REFIN引腳有顯著噪聲時(shí)，可以通過連接電阻到地來提高緩沖器的抗干擾能力，但會(huì)增加功耗。

4. 可編程增益放大器（PGA）

PGA提供1、2、4、5、8、10、16、20 V/V的增益，是一種單電源、軌到軌輸入、自動(dòng)調(diào)零、基于電容的儀表放大器。通過寄存器4中的G2 - G0位設(shè)置增益。當(dāng)PGA輸出出現(xiàn)削波或非線性操作時(shí)，輸出數(shù)據(jù)的最低有效位（OVL位）會(huì)被置為1，方便檢測故障。同時(shí)，OVL位也有助于自動(dòng)量程應(yīng)用，指示系統(tǒng)控制器嘗試降低PGA增益。

5. A/D轉(zhuǎn)換器

ADS7871中的14位A/D轉(zhuǎn)換器是逐次逼近型，輸出為2s補(bǔ)碼格式，可以通過串行接口以MSB或LSB優(yōu)先的方式讀取。在不同的輸入配置下，A/D轉(zhuǎn)換器具有不同的傳輸函數(shù)。

6. 轉(zhuǎn)換周期

一個(gè)轉(zhuǎn)換周期需要50個(gè)DCLK（DCLK = CCLK/DF），其中PGA操作需要36個(gè)DCLK，SAR轉(zhuǎn)換器需要14個(gè)DCLK。在轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，所選MUX輸入的內(nèi)部電容負(fù)載會(huì)在6 pF和9.7 pF之間變化。為了減少輸入信號的干擾，可在差分輸入之間連接10 - 100 nF的電容。對于源阻抗大于2 kΩ的情況，需要相應(yīng)降低CCLK以保證足夠的建立時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)最小功耗，每個(gè)功能所需的偏置僅在轉(zhuǎn)換期間開啟和運(yùn)行。

7. 啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換周期

文檔中雖未詳細(xì)提及啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換周期的具體內(nèi)容，但從前面的介紹可以推測，可能通過CONVERT引腳的0到1轉(zhuǎn)換來啟動(dòng)轉(zhuǎn)換周期。

五、總結(jié)與思考

ADS7871作為一款功能強(qiáng)大的低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片，在多個(gè)方面表現(xiàn)出色。其豐富的特性和靈活的配置方式使其適用于多種應(yīng)用場景。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，工程師還需要根據(jù)具體的需求和系統(tǒng)環(huán)境，合理選擇芯片的參數(shù)和配置，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。例如，在選擇輸入配置時(shí)，需要考慮信號的類型和幅度；在設(shè)置轉(zhuǎn)換時(shí)鐘時(shí)，需要平衡采樣速率和功耗之間的關(guān)系。同時(shí)，對于芯片的電氣特性和功能模塊的理解，也有助于工程師更好地進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和故障排查。那么，在你的實(shí)際項(xiàng)目中，是否遇到過類似的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題呢？你又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。