基于ADS1259的高精度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：提出了一種基于ADS1259的高精度采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以可編程增益儀表放大器PCA280和24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1259為核心器件，可以根據(jù)采集信號(hào)的不同范圍設(shè)置放大相應(yīng)倍數(shù)以滿足ADS1259的采集范圍要求。經(jīng)實(shí)測，本系統(tǒng)可充分發(fā)揮ADS1259高線性度、低漂移、低功耗的特性，適用于對功耗、體積、精度有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場合。
關(guān)鍵詞：ADS1259；PGA28；采集系統(tǒng)；高精度

    隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)領(lǐng)域數(shù)字化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的橋梁，發(fā)揮了越來越重要的作用。AD轉(zhuǎn)換器的分辨率和轉(zhuǎn)換速度直接決定了系統(tǒng)的應(yīng)用場合的限制。ADS1259是專為滿足工業(yè)過程控制、精密儀表及其他精確應(yīng)用的需要而設(shè)計(jì)，通過與可編程信號(hào)放大器PGA280相組合，即可形成一款能夠?qū)Ω鞣N各樣的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理的高分辨率、高準(zhǔn)確度測量系統(tǒng)。本系統(tǒng)可以通過控制器直接設(shè)置儀表放大器PGA280的放大倍數(shù)，采集不通范圍的直流微弱信號(hào)，轉(zhuǎn)換精度達(dá)到24位無誤碼。本系統(tǒng)適用于對各種各樣的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理的高分辨率、高準(zhǔn)確度測量系統(tǒng)。

1 主要特性
    ADSl259是一款高線性度、低漂移、24位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器具有4階固有穩(wěn)定調(diào)制器，因此具有優(yōu)良的噪聲和線性特性，該調(diào)制器的輸出與片上數(shù)字濾波器聯(lián)合使用；數(shù)字濾波器可通過編程選擇不同的濾波方式，同時(shí)具有校準(zhǔn)引擎。ADS1259的額定工作溫度范圍為-40至+105℃，適用于工業(yè)過程控制、精密儀表及其他精確應(yīng)用的場合。
    ADS1259的主要特性如下：
    1)高分辨率：24位無數(shù)據(jù)丟失；
    2)高精度：積分非線性(INL)為0．4ppm；
    3)低溫度漂移：基準(zhǔn)漂移為2ppm／℃，增益漂移為0．5 ppm／℃，失調(diào)漂移為0．05μV／℃；
    4)低噪聲0．7μVRMS (在60SPS數(shù)據(jù)速率條件下)；
    5)輸出速率可調(diào)：10SPS至14kSPS；
    6)同時(shí)50／60Hz抑制(在10SPS數(shù)據(jù)速率條件下)；
    7)單周期穩(wěn)定；
    8)內(nèi)部振蕩器；
    9)過量程保護(hù)；
    10)帶有串行外設(shè)接口(SPI)；
    11)低功耗：13mW；
2 引腳說明
    ADS1259采用SSOP-20封裝，引腳排列圖如圖1所示。

    ADS1259主要引腳功能說明如下：
    AINP、AINN：正、負(fù)模擬輸入端：：掉電輸入、復(fù)位輸入，低電平有效；START：開始轉(zhuǎn)換輸入，高電平有效；SYNCOUT：同步時(shí)鐘輸出端；：片選輸入；SCLK：串行時(shí)鐘輸入；DIN、DOUT：串行數(shù)據(jù)輸入、輸出；：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換好完成標(biāo)志位，低電平表示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成：XTAL1／CLKN：當(dāng)選用內(nèi)部振蕩器時(shí)，此引腳接DGND，當(dāng)選用外部時(shí)鐘時(shí)，此引腳為外部時(shí)鐘輸入，當(dāng)選用外部晶振時(shí)，與XTA L2聯(lián)合使用；XTAL2：當(dāng)選用外部晶振時(shí)，與XTAL1聯(lián)合使用，否則懸空；BYPASS：電壓旁路；DGND：數(shù)字地：DVDD：數(shù)字供電電源；REFOU T：2．5V參考電壓輸出；VREFP、VREFN：正、負(fù)基準(zhǔn)輸入；AVDD、AVSS：正、負(fù)模擬供電電源。

3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理
    ADS1259的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由△-∑調(diào)制器、可編程數(shù)字濾波器、校準(zhǔn)引擎、過量程保護(hù)、時(shí)鐘發(fā)生器、控制器及SPI串行接口等組成。

    ADS1259的調(diào)制器是一個(gè)高性能、固有穩(wěn)定的4階△-∑調(diào)制器，該調(diào)制器將待測差分輸入信號(hào)VIN(其中VIN=VAINP-VAINN)與基準(zhǔn)電壓VREF(其中VREF=VVREFP-VVREFN)相比較，輸出經(jīng)可編程數(shù)字濾波器濾波和校準(zhǔn)能變成高精度的數(shù)字輸出。ADS1259通過設(shè)置寄存器CONFIG1[7：6] (FLAG位和CHKSUM位)來決定是否輸出過量程檢測結(jié)果和校驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)CONFIG1[7：6]=11時(shí)，輸出結(jié)果為32位數(shù)據(jù)，后8位為校驗(yàn)和CHECKSUM，并且CHECKSUM的最高位代表是否過量程標(biāo)志位；當(dāng)CONFIG1[7：6]=01時(shí)，輸出結(jié)果仍為32位數(shù)據(jù)，后8位為校驗(yàn)和CHECKSUM，此時(shí)無過量程標(biāo)志位；當(dāng)CONFIG1[7：6]=10時(shí)，輸出結(jié)果為24位數(shù)據(jù)，最后一位BIT代表是否過量程標(biāo)志位，無校驗(yàn)和；當(dāng)CONFIG1[7：6]=00時(shí)，輸出結(jié)果為24位數(shù)據(jù)，此時(shí)無過量程標(biāo)志位和校驗(yàn)和。
    ADS1259芯片的基準(zhǔn)電壓可以選擇芯片內(nèi)部產(chǎn)生2．5V的參考源或者外接參考源，如果設(shè)置2．5V電壓輸出，則需要在REFOUT和AVSS兩引腳間接1μF電容；基準(zhǔn)電壓采用外接參考源時(shí)，需要在VREFP和VREFN兩引腳間接1μF電容。數(shù)字濾波器有兩個(gè)級聯(lián)的濾波器組成：一個(gè)五級sinc濾波器和一個(gè)可編程選擇的濾波器。ADS1259的主時(shí)鐘可以由外部晶振、外部時(shí)鐘發(fā)生器或內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器提供，如果主時(shí)鐘由一個(gè)外部晶振產(chǎn)生，在PCB布線時(shí)，晶振應(yīng)該盡量地靠近ADS1259。
    ADS1259有兩種控制方式控制芯片啟動(dòng)和停止轉(zhuǎn)換：1)通過START引腳控制，上升沿有效，表示啟動(dòng)AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，知道引腳來下降沿才表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，低電平表示停止工作：2)也可以通過發(fā)送START和STOP命令來控制ADS1259。
    圖3為本文設(shè)計(jì)的基于ADS1259的高精度采集系統(tǒng)電路。

    ADS1259是高精度的AD轉(zhuǎn)換器，為了得到最佳的轉(zhuǎn)換結(jié)果，在應(yīng)用期間要注意外圍電路和印刷電路板設(shè)計(jì)。要為ADS1259提供高精度、低噪聲、低溫漂的基準(zhǔn)電壓，或者由芯片內(nèi)部提供基準(zhǔn)電壓。在模擬電源和數(shù)字電源的輸入端一般要并聯(lián)一個(gè)旁路電容和一個(gè)去耦電容，防止電源波動(dòng)對ADS1259的性能造成影響，注意電容要盡量靠近引腳。模擬電源地和數(shù)字電源地應(yīng)采用單點(diǎn)連接，避免模擬地和數(shù)字地之間有電壓存在。另外，在使用ADS1259時(shí)，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1)模擬電源和數(shù)字電源分別供電，并且模擬地和數(shù)字地單點(diǎn)連接；2)為ADS1259選取高質(zhì)量的基準(zhǔn)電壓源，基準(zhǔn)電壓源的噪聲和漂移都會(huì)影響采集系統(tǒng)的性能；3)應(yīng)將輸入端前的RC濾波器盡可能地靠近ADS1259，降低干擾；4)如果采用外部晶振，也要靠近ADS1259，晶振典型值為7．3728MHz，接入電容為18pF；5)PCB布線時(shí)，信號(hào)走線盡量不換層，減少干擾；6)在設(shè)計(jì)電路板布線時(shí)，應(yīng)盡可能地讓差分信號(hào)兩條線長度相等，元器件盡可能靠近，防止電磁干擾。
    為了提高采集信號(hào)的質(zhì)量、有效去除環(huán)境造成的噪聲干擾，將前端信號(hào)通過前端濾波網(wǎng)絡(luò)送入儀表放大器，接入方式采用差模輸入方式。PGA280是一款高精度，具有數(shù)字可控制增益和信號(hào)完整性測試能力。該器件擁有低失調(diào)、接近于零的失調(diào)以及增益漂移、優(yōu)異的線性度，并且?guī)缀鯖]有1／f噪聲，并提供了出色的共模及電源抑制性能。PGA280可以通過編程使兩個(gè)差分輸入信號(hào)交替放大輸出，還可以通過設(shè)置GPIO口來擴(kuò)展功能。
    PGA280輸出的差分信號(hào)經(jīng)過RC低通濾波器進(jìn)入ADS1259模數(shù)轉(zhuǎn)換器，R1和R2兩個(gè)電阻盡可能靠近ADS1259，外接7．3728MHz晶振?；鶞?zhǔn)參考電源對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換有直接的影響，低噪聲、低溫漂和高精度的基準(zhǔn)參考電壓源就顯得十分必要，可以選用REF5025作為參考電壓源，3ppm的低溫漂、0．05％的高精度和3μV／V的低噪聲，能很好的提供了基準(zhǔn)參考電壓。
    儀表運(yùn)放PGA280和ADS1259都是SPI接口，控制器可以通過CS_AD和CS_PGA選擇通信的器件，首先拉低CS_PGA來配置PGA280的寄存器，設(shè)置放大倍數(shù)和選擇通道；再拉高CS_PGA，拉低CS_AD來對ADS1259進(jìn)行初始化設(shè)置，主要設(shè)置CONFIG0～3三個(gè)寄存器。

4 結(jié)束語
    本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于ADS1259的高精度采集系統(tǒng)。為滿足ADS1259的采集范圍要求，該系統(tǒng)借助可編程增益儀表放大器PGA280實(shí)現(xiàn)輸入微弱信號(hào)的差分放大以及噪聲信號(hào)的有效抑制。經(jīng)實(shí)測，該系統(tǒng)具有線性度高、漂移低、低功耗等一系列特點(diǎn)，是高精度采集處理的一種高效可行的解決方案。