高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1256的原理和應(yīng)用

ADS1256是公司Burr-Brown產(chǎn)品線推出的微功耗、高精度、8通道、24位△-∑型高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。該器件提供高達(dá)23比特的無(wú)噪聲精度、數(shù)據(jù)速率高達(dá)30kSPS(次采樣/秒)、0.0010%非線性特性(最大值)以及眾多的板上外設(shè)(輸入模擬多路開(kāi)關(guān)、輸入緩沖器、可編程增益放大器和可編程數(shù)字濾波器等)，可為設(shè)計(jì)人員帶來(lái)完整而高分辨率的量測(cè)解決方案。ADS1256采用SSOP-2封裝，1000顆采購(gòu)量零售單價(jià)為8.95美元。

ADS1256主要特點(diǎn)

1、8通道輸入：可同時(shí)采集8路信號(hào)輸入。

2、測(cè)量范圍廣：基本范圍為0-5V輸入電壓，可在輸入端可焊接分壓電阻，將電壓調(diào)整至0-5V內(nèi)，所以此采集卡可采集市面上大部分標(biāo)準(zhǔn)電壓，

3、采集頻率高，精度高：采集卡的采集速率為30K/s，精度可達(dá)到0.00001。

4、工業(yè)應(yīng)用級(jí)布線，模地，數(shù)字地完全隔離，抗干擾能力強(qiáng)。

5、體積小，方便安裝應(yīng)用

6、跳帽設(shè)計(jì)，方便多重狀態(tài)組合

ADS1256內(nèi)部結(jié)構(gòu)

ADS1256的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。該器件主要由模擬多路開(kāi)關(guān)(MUX)、輸入緩沖器(BUF)、可編程增益放大器(PGA)、四階△-∑調(diào)制器、可編程數(shù)字濾波器、時(shí)鐘發(fā)生器、控制器和串行SPI接口等組成。由于ADS1256提供有九路模擬輸入端，因此，可使用模擬多路開(kāi)關(guān)寄存器來(lái)將其配置為4路差動(dòng)輸入、8路單極輸入或差動(dòng)輸入和單極輸入的組合。當(dāng)模擬輸入通道0被選擇為正差動(dòng)輸入端(AINP)時(shí)，其余通道可被選擇為負(fù)差動(dòng)輸入端(AINN)。通常，輸入引腳的選擇是沒(méi)有限制的，但是為了得到最佳的模擬性能，推薦如下的引腳連接方式：

1.作差動(dòng)測(cè)量時(shí)，一般將AIN0~AIN7作為輸入端，不用AINCOM;

2.作單極測(cè)量時(shí)，一般將AIN0~AIN7作為單極輸入端;AINCOM作為公共輸入端，但是不把AINCOM接地;

3.將未用的模擬輸入引腳懸空，這樣有利于減小輸入泄漏電流。

ADS1256工作原理

ADS1256采用四線制(時(shí)鐘信號(hào)線SCLK、數(shù)據(jù)輸入線DIN、數(shù)據(jù)輸出線DOUT和偏片選線CS)SPI通信方式，只能工作在SPI通信的從模式下。設(shè)計(jì)時(shí)可以通過(guò)各種主控制器(如單片機(jī)等)來(lái)控制ADS1256片上的寄存器，并通過(guò)串口讀寫這些寄存器。串口通信時(shí)，必須保持CS為低電平。DRDY引腳用來(lái)表明轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，可以通過(guò)RDADA或者RDATAC命令從DOUT引腳讀取最新的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。在SPI通信過(guò)程中，可同步地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)也可來(lái)利用SCLK和DIN、DOUT信號(hào)同步移動(dòng)。SCLK信號(hào)要盡量保持干凈以免發(fā)生數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，在SCLK的上升沿，可通過(guò)DIN向ADS1256發(fā)送數(shù)據(jù)，而在SCLK的上升沿，可通過(guò)DOUT從ADS1256讀取數(shù)據(jù)。DIN和DOUT也可以通過(guò)一條雙向信號(hào)線與主控制器相連，但在這種情況下，一定不能用RDATAC命令來(lái)讀取數(shù)據(jù)。圖2為SPI通信時(shí)序關(guān)系。

ADS1256有四個(gè)通用數(shù)字I/O口，所有的I/O口都可以通過(guò)IO寄存器設(shè)置為輸入或輸出。通過(guò)IO寄存器的DIR位可對(duì)每一個(gè)腳的輸入或輸出進(jìn)行設(shè)置;DIO位用于控制每一個(gè)腳的狀態(tài)。通過(guò)D0腳可設(shè)置一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器以供別的設(shè)備使用(如微控制器等)。此時(shí)鐘可以通過(guò)ADCON寄存器的CLK0和CLK1位設(shè)置成fCLKIN、fCLKIN/2、fCLKIN/4。把D0作為時(shí)鐘要增加電壓的消耗，因此，如果不需要時(shí)鐘輸出功能，最好在上電或者復(fù)位后通過(guò)寫ADCON寄存器使其處于無(wú)效狀態(tài)。不用的IO引腳可以作為輸入接地，也可以設(shè)置為輸出，這樣有利于減小電源消耗。

ADS1256的主時(shí)鐘可以由外部晶振或時(shí)鐘發(fā)生器提供。由外部晶振產(chǎn)生時(shí)，PCB布線板上的晶振應(yīng)該盡量地靠近ADS1256。為了保證能夠起振并得到一個(gè)穩(wěn)定頻率，可使用一個(gè)外部電容(一般使用陶瓷電容)。晶振頻率一般選擇7.68MHz(即fCLKIN=7.68 MHz)。

ADS1256可通過(guò)復(fù)位引腳RESET、RESET命令和特殊串口通信時(shí)鐘SCLK三種方式進(jìn)行復(fù)位。ADS1256的同步操作則有SYNC/PDWN引腳和SYNC命令兩種方式。

ADS1256工作過(guò)程的建立主要是通過(guò)對(duì)11個(gè)獨(dú)立寄存器的設(shè)置來(lái)完成，這些寄存器包括了所有需要設(shè)置的信息，如采樣速度、模擬多路開(kāi)關(guān)、PGA設(shè)置、I/O選擇、自校準(zhǔn)等。表1給出了ADS1256的主要寄存器狀態(tài)，其中包括：狀態(tài)寄存器STATUS、模擬多路開(kāi)關(guān)寄存器MUX、AD控制寄存器ADCON和數(shù)據(jù)速度寄存器DRATE。

其中，狀態(tài)寄存器STATUS(地址00h，復(fù)位值為X1H)的高四位(ID位)由出廠設(shè)定，ORDER位為數(shù)據(jù)輸出順序選擇位，為0時(shí)，數(shù)據(jù)輸出高位在先(默認(rèn));為1時(shí)，數(shù)據(jù)輸出低位在先。ACAL位為自動(dòng)校準(zhǔn)選擇位，為0時(shí)，自動(dòng)校準(zhǔn)關(guān)閉(默認(rèn));為1時(shí)，自動(dòng)校準(zhǔn)開(kāi)啟。BUFFER位為輸入緩沖選擇位，為0時(shí)，輸入緩沖關(guān)閉(默認(rèn));為1時(shí)，輸入緩沖開(kāi)啟。DRDY位為轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)狀態(tài)位，此位完全復(fù)制DRDY引腳的狀態(tài)，DRDY低電平時(shí)，表明數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果可以讀出;高電平時(shí)，表明沒(méi)有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換或者正在轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，此時(shí)不能讀數(shù)據(jù)。

模擬多路開(kāi)關(guān)寄存器MUX(地址01h)的復(fù)位值為01H。其PSEN3~PSEN0位為差動(dòng)信號(hào)正輸入端選擇位，具體選擇如下：0000=AIN0(默認(rèn))，0001= AIN1，0010= AIN2，0011= AIN3，1XXX= AINCOM;NSEL3~NSEL0為差動(dòng)信號(hào)負(fù)輸入端選擇位，具體選擇為0000= AIN0，0001= AIN1(默認(rèn))，0010= AIN2，0011= AIN3，1XXX= AINCOM。

AD控制寄存器ADCON(地址02h)的最高位一般不用(始終為0)。CLK1、CLK0為輸出時(shí)鐘選擇位，00為輸出時(shí)鐘關(guān)閉;01為fCLKIN(默認(rèn));10為fCLKIN/2;11為fCLKIN/4。SDCS1、SDCS0為傳感器檢測(cè)選擇位，其中：00表示傳感器檢測(cè)關(guān)閉(默認(rèn));01表示傳感器檢測(cè)電流為0.5μA;10表示傳感器檢測(cè)電流為2μA;11表示傳感器檢測(cè)電流為10μA。PGA2~ PGA0為可編程增益放大器的放大倍數(shù)選擇位，000=1(默認(rèn));001=2;010=4;011=8;100=16;101=32;110=64;111=128。

數(shù)據(jù)速率寄存器DRATE(地址02h)的復(fù)位值為F0H。DIR7~DIR0為數(shù)據(jù)速率選擇位，具體選擇如下：11110000=30kSPS(默認(rèn));11100000=15 kSPS;……;00010011=5 kSPS;00000011=2.5 kSPS。

ADS1256的典型應(yīng)用電路

圖3 所示是ADS1256的典型應(yīng)用電路。由于ADS1256是精度極高的A/D轉(zhuǎn)換器，在應(yīng)用期間要特別注意該器件的外圍電路和印刷電路板的設(shè)計(jì)。

同其他高精度A/D轉(zhuǎn)化器一樣，ADS1256在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，也要特別注意電源和地的布線。在模擬電源和數(shù)字電源的輸入端一般要并聯(lián)一個(gè)小的陶瓷電容和一個(gè)大的鉭電容(或者陶瓷電容)，一般采用圖3所示的阻容濾波。注意電容要盡量靠近輸入端，而且應(yīng)使小電容更靠近ADC。特別注意要為VREFN和VREFP提供干凈的電源，可以直接由AVDD(模擬電壓)或由其分壓得到，也可以采用獨(dú)立的參考電源供電，但該電源一定要具有極低的噪聲和溫漂，否則將會(huì)直接影響ADS1256的性能。通常在輸入端要采用如圖3所示的RC低通濾波器來(lái)限制高頻噪聲，而且輸入線越短越好。在接地方面，推薦采用模擬電源和數(shù)字電源共地的方式，要注意旁路電容和模擬調(diào)整電路的應(yīng)用，避免數(shù)字噪聲元件(例如微處理器)也公用此地。如果ADS1256采用不同的接地網(wǎng)絡(luò)，一定要采用單點(diǎn)接地，避免模擬地(AGND)和數(shù)字地(DGND)之間有電壓存在。如果不用D0~D3，可以將其當(dāng)作輸入接地。如果不用RESET和SYNC/PDWN引腳，亦可將其直接接入數(shù)字電壓輸入端(DVDD)。

注意

1、在ADS1256片外要將模擬地AGND和數(shù)字地DGND連接在一起。否則，AGND和DGND之間存在電壓，會(huì)使ADS1256無(wú)法正常工作。

2、在印刷電路板布線時(shí)，應(yīng)將外部晶振盡可能地靠近ADS1256，否則將影響輸入幅值的大小，而當(dāng)幅值太小時(shí)，可以通過(guò)減小晶振兩端的電容來(lái)增大其幅值，電容范圍應(yīng)在0~20μF，晶振為7.68MHz時(shí)，接入電容的典型值為18pF。

3、為了得到最佳的轉(zhuǎn)換結(jié)果，每次改變初始寄存器值時(shí)(例如改變輸入通道)，最好自校準(zhǔn)一次。而且應(yīng)在改變輸入通道命令后發(fā)同步命令SYNC，然后經(jīng)過(guò)一段延時(shí)時(shí)再讀取上次轉(zhuǎn)換的結(jié)果。該延時(shí)應(yīng)隨著ADS1256的采樣頻率和濾波方式變化而變化。

4、在使用ADS1256處理微小信號(hào)時(shí)，最好采用比例測(cè)量，并應(yīng)在DRDY由高變低時(shí)讀取數(shù)據(jù)。