深入剖析ADS1203：高性能Delta-Sigma调制器的设计与应用

 

在电子设计领域，模数转换器（ADC）是连接模拟世界和数字世界的关键桥梁。而Delta-Sigma调制器作为一种特殊的ADC架构，以其高分辨率、低噪声等优势，在众多应用场景中得到了广泛应用。今天，我们就来深入探讨德州仪器（TI）的ADS1203——一款16位分辨率的Delta-Sigma调制器。

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一、ADS1203概述

ADS1203是一款单通道、二阶、CMOS Delta-Sigma调制器，专为中高分辨率的模数转换而设计，适用于从直流到39kHz的信号处理，过采样比（OSR）可达256。其主要特点包括：

• 高分辨率：具备16位分辨率和14位线性度，能够实现高精度的模数转换。
• 宽输入范围：在单+5V电源供电下，输入范围可达±250mV。
• 灵活的时钟源：时钟源可以是内部的，也可以是外部的，不同的时钟频率可实现多种解决方案和信号带宽。
• 多种工作模式：支持四种不同的工作模式，可根据具体应用需求进行选择。
• 宽温度范围：工作温度范围为 -40°C 至 +125°C，适用于各种恶劣环境。

二、关键参数与性能指标

2.1 绝对最大额定值与推荐工作条件

在使用ADS1203时，必须严格遵守其绝对最大额定值，以避免对器件造成永久性损坏。例如，电源电压范围为 -0.3V 至 6V，模拟输入电压相对于AGND或GND的范围为 AGND - 0.3V 至 AVDD + 0.3V 等。

推荐工作条件则为器件的正常工作提供了最佳参数范围。如电源电压推荐为4.5V至5.5V，外部时钟频率在模式3下推荐为16MHz至24MHz等。

2.2 电气特性

ADS1203的电气特性决定了其在实际应用中的性能表现。以下是一些关键的电气特性参数：

• 直流精度：积分线性误差（INL）最大为±4 LSB，差分非线性（DNL）最大为±1 LSB，输入失调（Vos）最大为±1000μV等。
• 交流精度：信号与噪声加失真比（SINAD）在VIN = ±250mVPP at 5kHz时典型值为85dB，总谐波失真（THD）在相同条件下最大为 -87dB。
• 电压参考输出：参考电压输出（VOUT）典型值为2.5V，温度漂移（dVOUT/dT）在 -40°C 至 +85°C 范围内最大为±30ppm/°C。

三、工作原理

3.1 模拟输入级

ADS1203的模拟输入级采用了全差分开关电容架构，这种架构能够有效降低系统噪声，提高共模抑制比（CMRR）和电源抑制比（PSRR）。其输入阻抗与调制器时钟频率有关，关系为 $Z{IN}=\frac{28kΩ}{f{CLK}/10MHz}$。当输入信号的源阻抗较高时，需要考虑输入阻抗对增益、线性度和THD的影响。

3.2 调制器

ADS1203可以在四种模式下工作。模式0、1和2使用内部固定为20MHz的时钟，模式3则可以使用外部时钟，外部时钟频率范围为1MHz至32MHz。调制器本质上是一个二阶开关电容Delta-Sigma调制器，通过对模拟输入电压和1位数字 - 模拟转换器（DAC）的输出进行差分比较，将模拟输入信号数字化为1位输出流。

3.3 数字输出与接口

差分输入信号为0V时，理想情况下输出的1和0数据流高电平占比为50%；差分输入为 +256mV 时，高电平占比为80%；差分输入为 -256mV 时，高电平占比为20%。

ADS1203的数字接口支持四种工作模式，通过M0和M1引脚进行配置。不同模式下，时钟和数据的输出方式有所不同，以满足不同应用的需求。例如，模式2采用曼彻斯特编码，可实现单线路数据传输，减少布线复杂度。

四、滤波器的选择与应用

调制器输出的只是一个位流，为了得到与模拟输入电压等效的数字字，需要使用数字滤波器对其进行处理。Sinc3滤波器是一种简单且常用的滤波器，其表达式为 $H(z)=\left(\frac{1 - z^{-OSR}}{1 - z^{-1}}\right)^{3}$。该滤波器在硬件规模较小的情况下能提供较好的输出性能，适用于过采样比在16至256范围内的应用。

在某些应用中，可能需要使用其他类型的滤波器来获得更好的频率响应。例如，在电机控制应用中，为了实现过电流检测的快速响应，可能需要选择Sinc2滤波器或其改进版本Sincfast滤波器。

五、应用案例

5.1 电机控制中的电流测量

在电机控制应用中，ADS1203可用于测量电机相电流。以模式0为例，通过分流电阻测量电流，同时使用滤波器对输入信号进行滤波，以提高测量精度。输出信号MCLK和MDAT可直接连接到光耦合器，再传输到DSP进行处理。

5.2 减少组件数量的应用

当需要减少组件数量时，ADS1203可以工作在模式2。此时，输出信号采用曼彻斯特编码，只需一个光耦合器通道进行传输，同时DSP也只需使用一条线路接收数据，从而可以使用更小封装的DSP。

六、布局考虑

6.1 电源供应

ADS1203只需要一个电源（VDD）。如果电路板上有单独的模拟和数字电源，建议将ADS1203连接到模拟电源。为了控制噪声，可以在电源上使用电阻，如通过一个10Ω电阻连接ADS1203的电源引脚，并结合去耦电容进行滤波。

6.2 接地

模拟和数字部分的设计必须进行仔细的分区，每个部分应有独立的接地平面，且不重叠。通过在转换器下方使用适度的信号走线连接两个接地平面，对于多个转换器，应尽可能在一个中心位置连接两个接地平面。

6.3 去耦

良好的去耦措施对于ADS1203和整个设计中的所有组件都非常重要。所有去耦电容，特别是0.1μF的陶瓷电容，应尽可能靠近被去耦的引脚放置。可以使用1μF和10μF的电容与0.1μF的陶瓷电容并联，对VDD到GND进行去耦。

七、总结

ADS1203作为一款高性能的Delta-Sigma调制器，凭借其高分辨率、宽输入范围、灵活的工作模式和良好的电气性能，在电机控制、工业过程控制、仪器仪表等领域具有广泛的应用前景。在实际设计中，需要根据具体应用需求合理选择工作模式和滤波器，并注意布局和电源管理等方面的问题，以充分发挥其性能优势。

你在使用ADS1203的过程中遇到过哪些问题？或者你对Delta-Sigma调制器的设计有什么独特的见解？欢迎在评论区分享交流。