ADS1285 32 位 ΔΣ 型模数转换器技术文档总结

该ADS1285是一款 32 位、低功耗、模数转换器 （ADC），具有可编程增益放大器 （PGA） 和有限脉冲响应 （FIR） 滤波器。该ADC专为地震设备苛刻需求而设计，需要低噪声、高精度数字化和延长电池运行时间。

低噪声 PGA 允许直接连接检波器和变压器耦合水听器，无需外部放大器。
*附件：ads1285.pdf

该ADC集成了一个高分辨率的δ-Σ（ΔΣ）调制器和一个具有可编程相位响应的FIR滤波器。高通滤波器从信号中去除直流和低频成分。时钟频率误差由分辨率为7 ppb的采样率转换器补偿。

功率模式的选择优化了动态范围与功耗。PGA 旁路作进一步降低了功耗。

该ADC采用紧凑的5mm×5mm VQFN封装，在–40°C至+85°C环境温度范围内完全额定。

特性

• 可选分辨率-功率模式：
  • 动态范围：2 ms 时为 134 dB，11.5 mW
  • 动态范围：2 ms 时为 129 dB，4.8 mW
• 灵活的数字滤波器：
  • 可选 sinc + FIR + IIR
  • 线性或最小相位
  • 高通滤波器
• 总谐波扰：< –120 分贝
• CMRR：125 分贝
• 数据速率：125 SPS 至 4000 SPS
• 可编程增益：1 至 64
• PGA 旁路选项
• SYNC 输入
• 时钟误差补偿
• 双通道多路复用器
• 失调和增益校准
• 通用数字 I/O
• 模拟电源作：5 V、3.3 V 或 ±2.5 V
• 参考电压选项：5 V、4.096 V 或 2.5 V

参数

方框图

一、产品核心定位与基础参数

ADS1285 以 “高动态范围 + 低功耗 + 多模式适配” 为核心优势，通过 ΔΣ 调制架构、可编程增益与数字滤波设计，平衡地震信号采集等场景的精度与功耗需求，适配单 / 双电源供电与宽温环境。

1. 核心基础参数总览

类别	关键指标	说明
核心规格	分辨率 / 通道数 / 数据率	32 位，双差分输入通道（AIN1±/AIN2±），125 SPS~4000 SPS（低功耗模式减半）
可靠性特性	工作温域 / 封装 / ESD 防护	-40℃~+85℃宽温；32 引脚 VQFN（5mm×5mm）；HBM 2000V/CDM 1000V ESD 防护
供电与功耗	供电范围 / 功耗（典型值）	模拟供电（AVDD1/AVDD2）2.7V5.5V，数字供电（IOVDD）1.65V3.6V；11.5mW（5V，PGA 模式）/4.8mW（3.3V，低功耗模式）
核心集成模块	关键功能集成	可编程 PGA（1~64 倍增益）、sinc/FIR/IIR 数字滤波器、时钟误差补偿（±244ppm）、偏移 / 增益校准、2 路 GPIO
参考电压	输入范围 / 阻抗	2.0V~VDD（支持 5V/4.096V/2.5V 可选），输入阻抗 5kΩ，输入电容 75pF

二、核心性能参数

1. 静态性能（TA=-40+85℃，VDD=2.7V5.5V）

（1）线性度与精度

• 积分非线性（INL） ：±2 LSB（最大值），无失码，保障全量程信号转换线性；
• 微分非线性（DNL） ：±1 LSB（最大值），避免输出台阶失真，适配弱信号采集；
• 总未调整误差（TUE） ：±0.06% FSR（最大值），典型值 0.04% FSR，减少系统级校准需求；
• 偏移 / 增益误差 ：偏移误差 ±350 / 增益 μV（PGA 增益 = 1 时），温度系数 ±1 μV/℃；增益误差 ±0.05%（PGA 增益 = 1 时），温度系数 ±2 ppm/℃，全温域精度稳定性高。

（2）输入与噪声特性

• 输入范围 ：差分输入电压 ±VREF/(2× 增益)（5V 参考时，增益 = 1 对应 ±2.5VPP），PGA 模式输入共模电压 1.1V~4.15V（5V 供电）；
• 输入噪声 ：PGA 增益 = 16 时，电压噪声密度 7 nV/√Hz（典型值），电流噪声密度 2.5 pA/√Hz（差分），0.1Hz~10Hz 低频噪声 0.1 μVPP，保障微弱地震信号采集纯净度；
• 共模抑制比（CMRR） ：60Hz 时 104 dB（典型值），电源抑制比（PSRR）DC 模式 80~110 dB、AC 模式 - 72 dB（10kHz），减少共模干扰与供电噪声影响。

2. 动态性能（关键指标适配低频弱信号采集）

ADS1285 的动态性能是地震监测、精密测量的核心保障，核心指标如下：

动态特性	关键指标	说明
动态范围（DR）	高功耗模式（2ms 采样）	134 dB（典型值，VREF=4.096V，PGA 增益 = 1），低功耗模式 129 dB，适配宽幅地震信号
总谐波失真（THD）	1kHz 输入，-0.5dBFS	< -120 dB（典型值，高功耗模式，PGA 增益 = 8），含 7 次谐波以内失真，信号保真度高
无杂散动态范围（SFDR）	1kHz 输入，-0.5dBFS	-125 dB（典型值），减少杂散信号对弱地震波的干扰
建立时间	至 1/2 LSB 精度（CL=10pF）	1 μs（典型值），快速响应信号变化，适配瞬态地震信号采集
通道串扰	通道间信号耦合	< -140 dB（典型值），双输入通道独立采集无相互干扰

3. 时钟与同步特性

内置时钟管理与同步机制，减少外部时钟器件依赖，适配多设备同步采集需求：

（1）时钟输入与误差补偿

• 时钟输入 ：高 / 中功耗模式 8.192 MHz，低功耗模式 4.096 MHz，建议使用晶体时钟源（避免 RC 振荡器），时钟抖动需 < 100 fs（rms）；
• 时钟误差补偿 ：采样率转换器（SRC）支持 ±244 ppm 补偿范围，7.45 ppb 分辨率，通过 SRC 寄存器调整，补偿外部时钟漂移；
• 同步功能 ：支持 SYNC 引脚 / 命令同步，脉冲同步（复位滤波器并等待 63 个采样周期稳定）与连续同步（对比 SYNC 与 DRDY 周期）两种模式，适配多 ADC 同步采集。

三、关键功能模块详解

1. 模拟前端与 PGA 设计

器件前端集成输入多路选择器（MUX）与低噪声 PGA，适配不同幅度地震信号直接采集，减少外部放大电路需求：

（1）输入多路选择器（MUX）

支持双差分通道切换、内部短路测试（0Ω/400Ω）与交叉连接测试，其中 400Ω 短路模式可模拟地震检波器（Geophone）阻抗，用于噪声与偏移测试，具体模式如下：

MUX [2:0] 配置	功能描述	应用场景
000/001	选择 AIN1±/AIN2± 输入	双通道地震信号采集
010/101	内部短路（400Ω/0Ω）	偏移校准、噪声测试（400Ω 模拟 Geophone 阻抗）
011	AIN1± 与 AIN2± 交叉连接	通道串扰测试与 THD 性能验证

（2）可编程增益放大器（PGA）

• 增益范围 ：1~16 倍模拟增益，32/64 倍数字增益，通过 CONFIG1 寄存器配置，增益 = 16 时输入噪声最低（7 nV/√Hz）；
• 低噪声设计 ：斩波稳定架构，1/f 噪声 < 0.1 μVPP（0.1Hz~10Hz），适配低频地震信号；
• 增益匹配 ：通道间增益匹配误差 < 0.2%（典型值），双通道采集一致性高；
• 旁路模式 ：可禁用 PGA 切换至缓冲模式（增益 = 1），降低功耗（减少 30%），适配高幅度信号直接采集。

2. 数字滤波系统

内置三级数字滤波器（sinc/FIR/IIR），支持多模式配置，平衡信号带宽与噪声抑制，适配不同频率地震信号：

（1）滤波器类型与特性

滤波器类型	功能 / 参数	说明
sinc 滤波器	5 阶，可变抽取比（8~128）	部分滤波， bypass FIR/IIR，数据率 32 kSPS~128 kSPS，需外部后滤波优化带宽
FIR 滤波器	线性 / 最小相位可选，32 倍抽取	低通特性，-3dB 带宽 0.413×fDATA，阻带衰减 - 135 dB（奈奎斯特频率），适配主滤波需求
IIR 滤波器	1 阶高通，0.1Hz~10Hz 截止频率可调	移除直流与低频漂移（如温度漂移），缩短稳定时间（通过偏移寄存器预加载初始值）

（2）滤波模式配置

通过 CONFIG0 寄存器的 FILTR [1:0] 位选择滤波路径：sinc 模式（快速响应）、FIR 模式（高阻带衰减）、FIR+IIR 模式（直流抑制 + 高阻带衰减），满足不同场景信号处理需求。

3. 校准与误差补偿

器件支持硬件 / 软件校准，保障全温域精度稳定性，核心校准功能如下：

（1）偏移校准

• 触发方式 ：OFSCAL 命令或手动短路输入（MUX 内部短路模式），校准后偏移误差降至 ±0.5 μV（典型值）；
• 校准机制 ：24 位偏移寄存器（OFFSET [23:0]）存储校准值，ADC 转换时自动减去偏移量，HPF 使能时偏移校准禁用（偏移值用于 HPF 初始值加速稳定）。

（2）增益校准

• 触发方式 ：GANCAL 命令或手动输入已知幅度校准信号（如 2.4V，避免满量程削波），校准后增益误差降至 ±2 ppm（典型值）；
• 校准机制 ：24 位增益寄存器（GAIN [23:0]）存储校准值（直二进制格式，默认 400000h=1 倍增益），转换数据乘以增益值 / 400000h 实现误差补偿。

四、典型应用场景与设计建议

1. 核心应用场景

ADS1285 的核心价值在于 “低噪声 + 宽动态范围”，典型应用包括：

• 被动地震监测 ：134 dB 动态范围 + 低噪声特性，直接采集 Geophone 输出的微伏级地震信号，无需外部前置放大；
• 能源勘探 ：双通道同步采集 + 时钟误差补偿，适配多传感器阵列的地震波成像，保障多设备时间同步精度；
• 精密仪器 ：0.06% TUE + 宽温稳定性，用于工业精密测量（如压力、应变）的低漂移数据采集。

典型应用电路示例（地震检波器输入）

1. 电路结构 ：Geophone 信号经 BAS70 肖特基二极管过压保护、1000pF/100pF RC 滤波后输入 AIN1±，通过 OPA391 缓冲器将 2.5V 参考电压分压至输入共模端，实现单电源（5V）下的差分信号采集；
2. 关键器件 ：参考电压采用 REF6241（4.096V，低噪声 < 0.5 μVPP），AVDD1/AVDD2 分别并联 1μF+0.1μF 电容滤波，CAPD（数字 LDO 输出）并联 0.22μF 电容抑制数字噪声；
3. 性能指标 ：输入信号 0.1Hz~1kHz 时，动态范围 132 dB，THD < -120 dB，满足弱地震信号采集需求。

2. 关键设计建议

（1）电源与参考电压设计

• 电源隔离 ：模拟电源（AVDD1/AVDD2）与数字电源（IOVDD）独立布线，AVDD1/AVDD2 就近并联 1μF 钽电容 + 0.1μF 陶瓷电容（X7R/NP0 dielectric），IOVDD 并联 0.22μF 电容至 DGND；
• 参考电压优化 ：参考电压引脚（REFP/REFN）并联 0.1μF+10μF 电容滤波，长距离布线时串联 10Ω 电阻抑制噪声，避免与数字信号线平行布线；
• 接地设计 ：AGND（模拟地）与 DGND（数字地）单点连接至公共地平面，thermal pad 连接 AVSS（双电源）或 AGND（单电源），降低热阻（RθJA=30℃/W）。

（2）输入与布线设计

• 输入保护 ：Geophone 输入端串联 100Ω 限流电阻 + TVS0701 ESD 防护器件，避免雷击或过压损坏 ADC 输入；
• 布线隔离 ：模拟输入线（AIN1±/AIN2±）与数字线（SCLK/CS）间距≥2mm，使用差分布线（阻抗 100Ω）减少串扰；时钟线串联 50Ω 匹配电阻，避免反射噪声；
• 测试模式 ：使用 MUX 内部短路模式（010/101）定期校准偏移，确保长期采集精度，校准周期建议每 10℃温变一次。

（3）同步与数据读取

• 多设备同步 ：采用 SYNC 引脚连续同步模式，SYNC 信号频率与 DRDY 频率匹配（误差 <±1 CLK 周期），确保多 ADC 采集时间一致性；
• 数据读取 ：DRDY 引脚低电平表示数据就绪，支持直接读取（32 位 2’s 补码）或 RDATA 命令重读，SCLK 频率≤10 MHz，避免高频噪声耦合。