ADS1274/ADS1278：高性能多通道ADC的深度剖析与应用指南

 

在工业测量、数据采集等众多领域，高精度、多通道的模拟 - 数字转换器（ADC）一直是关键的核心部件。德州仪器（TI）推出的ADS1274和ADS1278就是这样两款具有卓越性能的24位Delta - Sigma ADC，它们为工程师们提供了强大而灵活的解决方案。今天，我们就来深入探讨一下这两款ADC的特点、功能以及应用中的注意事项。

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一、产品概述

ADS1274为四通道ADC，而ADS1278则是八通道ADC，它们均基于单通道的ADS1271开发而来。这两款产品最大的亮点在于将出色的直流精度和卓越的交流性能完美结合。它们采用相同的封装，且ADS1274的引脚与ADS1278兼容，这意味着在设计中可以方便地进行扩展，实现真正的即插即用。

二、产品特性

2.1 多通道同步采样

ADS1274能够同时测量四个通道，而ADS1278则可同时测量八个通道，这使得它们非常适合多通道数据采集系统，能够确保各通道数据的同步性，为后续的数据分析提供准确的基础。

2.2 高速数据采集

最高数据速率可达144kSPS，能够满足高速数据采集的需求。在不同的工作模式下，数据速率可以根据实际应用进行调整，以平衡速度、分辨率和功耗。

2.3 优异的AC和DC性能

• AC性能：带宽高达70kHz，信噪比（SNR）在高分辨率模式下可达111dB，总谐波失真（THD）低至 - 108dB，能够准确地采集高频信号，并且对信号的失真控制非常出色。
• DC精度：偏移漂移仅为0.8μV/°C，增益漂移为1.3ppm/°C，确保了在不同温度环境下的测量精度。

2.4 可选工作模式

提供四种工作模式：高速、高分辨率、低功耗和低速模式。工程师可以根据具体的应用需求，在速度、分辨率和功耗之间进行权衡选择。例如，在对速度要求较高的场合可以选择高速模式；而在对功耗敏感的应用中，则可以选择低功耗模式。

2.5 线性相位数字滤波器

内置的线性相位数字滤波器能够提供恒定的群延迟，确保在分析多音信号时基本没有相位误差，提高了信号处理的准确性。

2.6 灵活的接口

支持SPI和帧同步（Frame - Sync）两种串行接口协议，方便与各种微控制器、FPGA等设备进行连接，增强了系统设计的灵活性。

三、电气特性

3.1 模拟输入特性

• 满量程输入电压为±VREF，绝对输入电压范围为AGND - 0.1V至AVDD + 0.1V，共模输入电压为2.5V。
• 不同工作模式下，差分输入阻抗有所不同，高速和高分辨率模式下为14kΩ，低功耗模式下为28kΩ，低速模式下为140kΩ。

3.2 直流性能

分辨率为24位，无丢失码。在不同工作模式和时钟频率下，数据速率有所差异。积分非线性（INL）最大为±0.0012% FSR，偏移误差最大为2mV，增益误差最大为0.5% FSR。

3.3 交流性能

串扰在1kHz、 - 0.5dBFS时低至 - 107dB，不同工作模式下的信噪比和通带特性也各有特点。例如，高分辨率模式下，通带纹波最大为±0.005dB， - 3dB带宽为0.49fDATA。

3.4 电压参考输入

参考输入电压VREF的范围根据时钟频率有所不同，ADS1274和ADS1278在不同工作模式下的参考输入阻抗也不同。

3.5 数字输入/输出

数字输入/输出的电压范围与IOVDD相关，输入漏电流最大为±10μA。主时钟速率在高速模式下最大为37MHz，其他模式下最大为27MHz。

3.6 电源特性

ADS1274和ADS1278需要三个电源：AVDD（模拟电源）、DVDD（数字核心电源）和IOVDD（数字I/O电源）。不同工作模式下，各电源的电流和功耗也不同。例如，ADS1274在高速模式下，AVDD电流为50 - 75mA，功耗为285 - 420mW。

四、功能描述

4.1 工作原理

ADS1274/78由调制器和数字滤波器两个主要功能模块组成。调制器以较高的速率对输入信号和参考电压进行采样，产生一个1s密度输出流，其密度与模拟输入电平相对于参考电压的比例成正比。这个脉冲流经过内部数字滤波器处理后，得到最终的转换结果。

4.2 采样孔径匹配

由于所有通道都使用相同的CLK输入，并且数字滤波器在同一调制器时钟周期开始卷积阶段，因此各通道之间具有出色的相位匹配。不过，在使用多个设备时，由于内部时钟信号的传播延迟和外部时钟信号到达时间的差异，可能会导致采样匹配误差。可以通过等长的CLK走线或外部时钟分配设备来减少这种误差。

4.3 频率响应

数字滤波器决定了整体的频率响应。不同工作模式下，滤波器的过采样比不同，高速、低功耗和低速模式下为64，高分辨率模式下为128。为了避免镜像频率折叠回通带导致误差，建议在ADS1274/78输入前端放置抗混叠低通滤波器，通常一个简单的RC滤波器就足够了。

4.4 相位响应

采用多级线性相位数字滤波器，具有恒定的群延迟，这意味着输入信号的任何时刻到输出数据的同一时刻的时间延迟是恒定的，与输入信号频率无关，从而在分析多音信号时基本没有相位误差。

4.5 建立时间

数字滤波器也决定了建立时间。在高速和低功耗模式下，输出数据在76个转换周期后完全稳定；在高分辨率模式下，需要78个转换周期。

4.6 数据格式

输出24位二进制补码格式的数据。正满量程输入产生理想输出代码7FFFFFh，负满量程输入产生理想输出代码800000h。

五、引脚功能与接口协议

5.1 引脚功能

ADS1274/78的引脚包括模拟输入引脚（AINP、AINN）、电压参考输入引脚（VREFP、VREFN）、时钟输入引脚（CLK）、模式选择引脚（MODE）、同步引脚（SYNC）、电源引脚（AVDD、DVDD、IOVDD）以及数字输入/输出引脚等。每个引脚都有其特定的功能，例如，MODE[1:0]引脚用于选择工作模式，SYNC引脚用于同步转换过程。

5.2 接口协议

支持SPI和帧同步（Frame - Sync）两种串行接口协议。

• SPI接口：是一种只读接口，数据准备好后通过DRDY输出信号指示，在SCLK的下降沿以MSB优先的方式移出。可以通过DIN输入进行菊花链连接，方便多个设备的级联。
• 帧同步接口：类似于音频ADC常用的接口，需要用户提供帧同步信号FSYNC和串行时钟SCLK。数据在FSYNC的上升沿以MSB优先或左对齐的方式输出。

5.3 DOUT模式

有TDM（时分复用）和离散数据输出两种模式。在TDM模式下，又分为固定位置数据和动态位置数据两种子模式。不同模式下，数据的输出方式和处理方式有所不同，工程师可以根据具体应用需求进行选择。

5.4 菊花链连接

多个ADS1274/78可以通过菊花链连接在一起，将一个设备的DOUT1引脚连接到下一个设备的DIN引脚。不过，可级联的最大通道数受到SCLK频率、工作模式和CLKDIV输入的限制。为了确保所有设备同步，建议将SYNC输入引脚连接在一起。

六、应用信息与注意事项

6.1 电源设计

需要三个电源：DVDD、IOVDD和AVDD。为了达到额定性能，电源必须使用0.1μF和10μF的电容进行旁路，并且尽量靠近电源引脚放置。电源应相对无噪声，避免与产生电压尖峰的设备共享电源。

6.2 接地设计

可以使用单个接地平面连接AGND和DGND引脚。如果使用单独的数字和模拟接地，应在转换器处将它们连接在一起。

6.3 数字输入设计

建议在数字输入到设备的线路上使用50Ω的串联电阻进行源端匹配，电阻应靠近数字源的驱动端放置，以减少数字线路上的振铃，避免影响ADC性能。

6.4 模拟/数字电路布局

模拟电路（输入缓冲器、参考电路）和相关走线应集中在一起，并远离数字电路（DSP、微控制器、逻辑电路）。避免数字走线跨越模拟走线，以减少噪声耦合和串扰。

6.5 参考输入设计

建议在参考输入VREFP和VREFN之间直接使用一个最小10μF的钽电容和一个0.1μF的陶瓷电容。参考输入应由低阻抗源驱动，为了获得最佳性能，参考源的带内噪声应小于3μVRMS。如果参考源噪声较高，可能需要外部参考滤波。

6.6 模拟输入设计

模拟输入引脚必须采用差分驱动才能达到指定的性能。可以使用真正的差分驱动器或变压器（适用于交流应用）。模拟输入走线（AINP、AINN）应作为一对从缓冲器直接连接到转换器，走线应短而直接，并远离数字走线。在模拟输入引脚之间应直接使用一个1nF至10nF的电容，建议使用低k电介质（如COG或薄膜类型）以保持低THD。每个模拟输入到地的电容不应大于差分电容的1/10（通常为100pF），以保持交流共模性能。

6.7 组件布局

电源、模拟输入和参考输入的旁路电容应尽量靠近设备引脚放置，特别是小值陶瓷电容。较大的（大容量）去耦电容可以放置在离设备稍远的位置。

七、总结

ADS1274和ADS1278以其多通道同步采样、高速数据采集、优异的AC和DC性能、灵活的工作模式和接口协议等特点，为工程师们在多通道数据采集、振动/模态分析、声学/动态应变计、压力传感器等应用领域提供了强大的支持。在实际应用中，工程师们需要根据具体的应用需求，合理选择工作模式和接口协议，并注意电源设计、接地设计、布局布线等方面的问题，以充分发挥这两款ADC的性能优势。你在使用ADS1274/ADS1278的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。