ADS1118 16 位低功耗 SPI 模数转换器（ADC）技术文档总结

ADS1118是一款高精度、低功耗、16位模数转换器（ADC），具备测量最常见传感器信号所需的所有功能，采用超小型无引线X2QFN-10封装或VSSOP-10封装。该ADS1118集成了可编程增益放大器（PGA）、电压参考、振荡器和高精度温度传感器。这些特性，加上从2伏到5.5伏的宽电源范围，使ADS1118非常适合功率和空间受限的传感器测量应用。
*附件：ads1118.pdf

该ADS1118可执行最高860采样率/秒（SPS）的数据转换。PGA提供从±256 mV到±6.144 V的输入范围，允许以高分辨率测量大信号和小信号。输入复用器（MUX）可测量两个差分输入或四个单端输入。高精度温度传感器可用于系统级温度监测或热电偶的冷结补偿。

ADS1118可连续转换模式，或单次切换模式，转换后自动断电。单次切换模式显著减少空闲期间的电流消耗。数据通过串行外设接口（SPI™）传输。ADS1118规格范围为–40°C至+125°C。

特性

• 超小 X2QFN 封装：
  2 毫米 × 1.5 毫米 × 0.4 毫米
• 宽电源范围：2 V 至 5.5 V
• 低电流消耗：
  • 连续模式：仅150 μA
  • 单发模式：自动关机
• 可编程数据速率：
  8 SPS 至 860 SPS
• 单周期沉降
• 内部低漂移电压参考
• 内部温度传感器：
  0.5°C（最大） 误差：0°C 至 70°C
• 内部振荡器
• 内部PGA
• 四个单端或两个差分输入

参数

方框图

ADS1118 是德州仪器（TI）推出的高集成度 16 位 ΔΣ 模数转换器，集成可编程增益放大器（PGA）、内部基准源、振荡器与高精度温度传感器，采用 SPI 接口通信，支持 2V-5.5V 宽供电电压，适用于温度测量（热电偶、热敏电阻）、便携式仪器、工业控制等低功耗、小尺寸约束的传感器信号采集场景。

一、芯片基础信息与核心特性

1. 基础规格

• 型号与文档信息 ：文档编号 SBAS457F，2010 年 10 月发布、2019 年 9 月修订；支持两种封装（10 引脚 1.5mm×2.0mm X2QFN、10 引脚 3.0mm×3.0mm VSSOP），均为无铅环保封装，MSL 等级 1（X2QFN）/2（VSSOP），峰值回流焊温度 260°C。
• 供电与温度 ：供电电压 2V-5.5V，绝对最大电压 7V；工作温度 - 40°C 至 125°C，结温最高 150°C；X2QFN 封装结到环境热阻 245.2°C/W，VSSOP 封装 186.8°C/W，ESD 防护等级 HBM±4000V、CDM±1000V，符合 RoHS 标准。
• 引脚配置 ：核心引脚包括模拟输入（AIN0-AIN3）、SPI 通信引脚（SCLK/CS/DIN/DOUT/DRDY）、供电（VDD）及地（GND）；DOUT/DRDY 引脚复用数据输出与数据就绪功能，低电平有效。

2. 核心性能指标

• ADC 性能 ：16 位分辨率，无失码；采样率 8SPS-860SPS 可调；PGA 支持 ±256mV 至 ±6.144V 共 6 档满量程范围（FSR），LSB 最小 7.8125μV（±256mV 量程）；积分非线性（INL）±1LSB，增益误差最大 0.15%，失调误差最大 ±2LSB。
• 温度传感器 ：测量范围 - 40°C 至 125°C，分辨率 0.03125°C/LSB；0°C-70°C 范围内精度 ±0.5°C，全温范围 ±1°C，支持冷端补偿功能。
• 功耗与噪声 ：连续模式功耗典型 150μA（3.3V/8SPS），掉电模式仅 0.5μA；输入参考噪声低至 7.81μVrms（±256mV 量程 / 8SPS），共模抑制比（CMRR）最高 105dB，抗干扰能力强。

二、关键功能与工作原理

1. 核心功能

• 信号采集与放大 ：
  • 支持 4 路单端输入或 2 路差分输入，通过输入多路选择器（MUX）配置；差分输入模式可有效抑制共模噪声，单端输入模式下负输入端内部接地。
  • PGA 增益可调，适配不同幅度传感器信号，小信号场景（如热电偶）可选择高增益档位提升测量分辨率，大信号场景（如工业电压）可选择低增益档位避免饱和。
• 工作模式与低功耗 ：
  • 支持连续转换模式与单次转换模式：连续模式下持续采样并更新结果，单次模式完成一次转换后自动掉电，显著降低空闲功耗；支持占空比控制，通过周期性触发单次转换进一步优化功耗。
  • 启动默认进入掉电状态，需通过 SPI 配置启动转换；采样率越低，噪声性能越优，功耗也越低（8SPS 时噪声最低，860SPS 时响应最快）。
• 温度测量与校准 ：
  • 内置温度传感器可独立工作，通过配置寄存器启用温度模式，测量结果为 14 位左对齐数据，支持二进制补码格式表示负温度。
  • 集成内部基准源（不可外部替代），增益误差与温漂已包含基准源误差，无需额外校准；支持通过 SPI 读取配置寄存器，验证工作参数。

2. 工作原理

• 模拟信号经 AIN0-AIN3 输入，由 MUX 选择单端或差分通道后送入 PGA 放大，再通过 ΔΣ 调制器转换为高速比特流，经数字滤波器滤波与抽取后得到 16 位数字结果，存储于转换寄存器。
• SPI 接口采用模式 1（CPOL=0、CPHA=1）通信，支持 16 位（仅读取转换结果）或 32 位（读取转换结果 + 回读配置寄存器）传输；DOUT/DRDY 引脚在转换完成后拉低，提示数据就绪，可触发控制器读取。
• 温度测量模式下，内部温度传感器的模拟信号经 ADC 转换为数字值，通过 SPI 输出，转换公式为：温度 = 数字码 ×0.03125°C（正温度）或温度 =-(65536 - 数字码)×0.03125°C（负温度）。

三、应用场景与设计建议

1. 典型应用

• 温度测量 ：热电偶冷端补偿、热敏电阻信号采集、环境温度监测，利用内置温度传感器简化外围电路。
• 工业控制 ：工厂自动化过程中的模拟信号采集（如压力、流量传感器），差分输入模式抗干扰能力适配工业环境。
• 便携式设备 ：笔记本电脑、手持仪器的低功耗数据采集模块，单次转换模式 + 掉电设计延长电池续航。

2. 设计注意事项

• 输入与增益配置 ：
  • 差分输入时，信号源阻抗需匹配，避免影响线性度；单端输入时，输入电压范围 0V-VDD，不可超过电源电压范围，否则 ESD 二极管可能导通。
  • 根据传感器输出幅度选择合适 FSR：小信号（如热电偶输出 mV 级）选择 ±256mV 或 ±512mV 量程，大信号（如 0-5V 工业信号）选择 ±6.144V 量程，确保信号未饱和且分辨率最优。
• SPI 通信与时序 ：
  • CS 引脚低电平有效，未使用时可接地；SCLK 低电平保持超过 28ms 将复位 SPI 接口，需避免通信中断。
  • 数据就绪后需在 DOUT/DRDY 再次拉高前完成读取，连续模式下 DOUT/DRDY 会在下次转换前 8μs 拉高。
• 布局与电源 ：
  • 模拟地与数字地单点连接，模拟输入走线远离数字电路与电源纹波源；AIN0-AIN3 引脚未使用时可接 VDD 或悬空，避免悬空引入噪声。
  • VDD 引脚旁需并联 0.1μF 去耦电容，靠近引脚放置；供电电压需稳定，避免纹波影响转换精度，宽电压场景建议使用 LDO 稳压。
• 抗混叠滤波 ：
  • 模拟输入需添加 RC 低通滤波器，截止频率建议设置为采样率的 10 倍以内，抑制高于奈奎斯特频率的信号混叠；滤波器电阻值建议小于 1kΩ，避免引入额外失调误差。

四、关键配置要点

• 量程与采样率 ：通过配置寄存器 PGA [2:0] 位选择 FSR，DR [2:0] 位选择采样率；低采样率（8SPS-64SPS）适合高精度测量，高采样率（250SPS-860SPS）适合高速响应场景。
• 工作模式 ：MODE 位配置连续模式（0）或单次模式（1）；单次模式需通过 SS 位触发转换，转换完成后自动掉电；连续模式持续采样，功耗高于单次模式。
• 通道与温度模式 ：MUX [2:0] 位配置输入通道（单端 / 差分）；TS_MODE 位配置 ADC 模式（0）或温度传感器模式（1），温度测量与信号采集可交替进行。