ADS1232和ADS1234数据手册

 

一、引言

在电子设计领域，高精度模拟 - 数字转换器（ADC）一直是实现精确测量的关键组件。TI公司的ADS1232和ADS1234（ADS123x）作为24位高精度ADC，凭借其出色的性能和丰富的功能，在称重秤、压力传感器等应用中得到了广泛的应用。今天，我们就来深入剖析一下这两款ADC的特点、性能以及应用设计要点。

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二、产品概述

2.1 主要特性

ADS123x系列ADC为桥式传感器提供了完整的前端解决方案，具有以下显著特性：

• 高分辨率：在增益为1时，有效分辨率可达23.5位；在增益为64时，无噪声分辨率可达19.2位。
• 低噪声：在增益为128、数据速率为10SPS时，RMS噪声低至17nV。
• 可编程增益：可选增益为1、2、64和128，可根据不同的应用需求灵活调整。
• 出色的干扰抑制：具有100dB的50Hz和60Hz同时抑制能力，有效减少工频干扰。
• 灵活的时钟选择：支持内部振荡器和外部晶体或时钟源，可适应不同的应用场景。
• 简单的接口：采用两线串行接口，方便与微控制器连接。
• 宽工作范围：电源电压范围为2.7V至5.3V，工作温度范围为 - 40°C至 + 105°C。

2.2 应用领域

ADS123x适用于多种需要高精度测量的应用场景，如：

• 称重秤：高精度的测量能力确保了称重的准确性。
• PLC重量模块：为工业自动化中的重量监测提供可靠支持。
• 压力传感器：能够精确测量压力变化。

三、技术细节分析

3.1 引脚配置与功能

ADS1232采用24引脚TSSOP封装，ADS1234采用28引脚TSSOP封装。每个引脚都有其特定的功能，例如：

• A0、A1：输入MUX选择引脚，用于选择不同的输入通道。
• AGND、DGND：分别为模拟地和数字地，确保信号的稳定传输。
• AINPx、AINNx：模拟输入引脚，用于连接待测量的信号。
• AVDD、DVDD：分别为模拟电源和数字电源，为芯片提供稳定的电源供应。
• GAIN0、GAIN1：增益选择引脚，用于设置PGA的增益。
• REFP、REFN：参考电压输入引脚，为ADC提供参考电压。
• DRDY/DOUT：数据就绪和数据输出引脚，用于指示数据是否准备好并输出数据。

3.2 电气特性

ADS123x的电气特性在不同的工作条件下有详细的规定，如在 - 40°C至 + 105°C的温度范围内，其各项性能指标都能满足设计要求。以下是一些关键的电气特性：

• 分辨率：无丢码分辨率为24位，确保了高精度的测量。
• 数据速率：可通过SPEED引脚选择10SPS或80SPS的数据速率，满足不同的应用需求。
• 积分非线性（INL）：在不同增益下，INL都能控制在极小的范围内，保证了测量的准确性。
• 输入偏移误差和增益误差：经过校准后，输入偏移误差和增益误差都能控制在较低水平，提高了测量的稳定性。

3.3 噪声性能

噪声是影响ADC性能的重要因素之一。ADS123x通过可编程增益放大器（PGA）优化了噪声性能。不同的增益、数据速率和电压参考值下，其噪声性能有所不同。例如，在AVDD = 5V、VREF = 5V、数据速率为10SPS、增益为128时，RMS噪声低至17nV。通过以下公式可以计算ADC的有效分辨率和无噪声分辨率：

• 有效分辨率（位）= ln (FSR / RMS噪声) / ln (2)
• 无噪声分辨率（位）= ln (FSR / 峰 - 峰噪声) / ln (2) 其中，FSR = 满量程范围 = VREF / 增益。

3.4 功能模块

3.4.1 模拟输入

ADS123x支持差分输入和单端输入。在测量单端信号时，需要根据增益的不同合理连接负输入引脚。同时，模拟和参考输入都受到ESD二极管的保护，提高了芯片的可靠性。

3.4.2 温度传感器（仅ADS1232）

ADS1232内置温度传感器，通过设置TEMP引脚可以测量环境温度。在PGA增益为1和2时，可以方便地测量温度变化。

3.4.3 低噪声PGA

PGA采用低漂移、低噪声设计，由两个斩波稳定放大器和三个精确匹配的电阻构成。通过GAIN1和GAIN0引脚可以设置PGA的增益为1、2、64或128。在增益为1或2时，可旁路增益为64的阶段以节省功耗。

3.4.4 电压参考输入

参考电压由REFP和REFN引脚之间的电压差提供。为了提高参考输入阻抗，采用了开关缓冲电路。在设计时，需要注意参考噪声和漂移对ADC性能的影响。

3.4.5 时钟源

ADS123x支持外部时钟源、外部晶体或内部振荡器。通过CLKIN/XTAL1引脚可以选择不同的时钟源。在使用晶体时，需要将4.9152 - MHz的晶体连接在CLKIN/XTAL1和XTAL2引脚之间。

3.4.6 数字滤波器

采用sinc4数字滤波器，具有良好的低通特性。在不同的数据速率下，滤波器的 - 3dB截止频率不同，能够有效抑制特定频率的干扰。

3.4.7 建立时间

在输入多路复用器切换后，数字滤波器需要一定的时间来稳定。一般情况下，第一次数据是完全稳定的，但在某些情况下，如输入发生大的变化，可能需要四个数据周期才能稳定。

3.5 设备功能模式

除了正常的转换模式外，ADS123x还具有偏移校准模式、待机模式和掉电模式：

• 偏移校准模式：通过额外的SCLK脉冲可以启动偏移校准，校准完成后DRDY/DOUT引脚变低，指示新数据准备好。
• 待机模式：将SCLK保持高电平可以进入待机模式，此时大部分电路关闭，功耗显著降低。退出待机模式后，第一个数据是有效的。
• 掉电模式：将PDWN引脚保持低电平可以进入掉电模式，整个ADC电路关闭，功耗接近零。

四、应用设计实例

4.1 称重秤应用

以ADS1232在称重秤系统中的应用为例，其典型电路配置如下：

• 增益设置：将GAIN[1:0]引脚接逻辑高电平，选择增益为128，以获得最佳的噪声性能。
• 输入通道和数据速率选择：将A0和TEMP引脚接地，选择输入通道1；将SPEED引脚接地，选择数据速率为10SPS。
• 时钟源选择：将CLKIN/XTAL1引脚接地，选择内部振荡器。
• 电源供应：ADC的模拟电源和数字电源可以连接在一起，但需要确保电源干净，无毛刺和瞬变。

4.2 设计要点

• 电源供应：在设备上电时，需要按照规定的PWDN引脚序列操作。使用低 dropout 调节器（LDO）可以减少开关电源产生的电压纹波。同时，需要对电源进行良好的去耦，在电源引脚附近连接0.1 - µF的电容。
• 布局设计：为了实现ADC的最佳性能，需要遵循良好的布局原则。例如，使用专用的接地层，避免数字走线靠近PGA输出引脚和模拟输入引脚，使用C0G电容等。

五、总结

ADS1232和ADS1234作为24位高精度ADC，具有高分辨率、低噪声、灵活的增益选择和多种功能模式等优点，适用于多种高精度测量应用。在设计过程中，需要充分了解其引脚功能、电气特性、噪声性能和功能模块，合理选择应用参数，并遵循良好的电源供应和布局设计原则，以确保系统的性能和稳定性。希望本文能为电子工程师在使用ADS123x进行设计时提供一些有益的参考。你在使用ADS123x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。