ADS7871：低功耗数据采集系统的理想之选

 

在电子设计领域，数据采集系统是连接现实世界与数字世界的关键桥梁。今天，我们要深入探讨一款功能强大的低功耗数据采集芯片——ADS7871，它由德州仪器（Texas Instruments）推出，集成了多种功能，为工程师们提供了高效、可靠的数据采集解决方案。

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一、概述

ADS7871是一款单芯片的低功耗数据采集系统，融合了4通道差分/8通道单端多路复用器、精密可编程增益放大器（PGA）、14位逐次逼近型模数转换器（A/D）以及精密电压基准。它基于ADS7870设计，具有相似的接口、功能和引脚布局，但在一些细节上有所改进，如引脚15硬接地、SAR转换周期从12个时钟变为14个时钟等。

二、关键特性

（一）增益灵活

PGA提供了1、2、4、5、8、10、16和20 V/V的增益选择，能够适应不同幅度的输入信号，即使是低至125 mV的信号也能产生满量程数字输出。这种灵活性使得ADS7871在处理各种微弱信号时表现出色，无需额外的外部放大或阻抗缓冲电路。

（二）输入配置多样

输入通道可配置为8通道单端输入、4通道差分输入或它们的组合，满足不同应用场景的需求。同时，通过对MUX地址中的M2位进行设置，可以改变输入引脚的差分极性，方便用户调整转换结果的极性，而无需物理上改变输入连接。

（三）内部基准精准

内部基准电压可通过软件配置为1.15 V、2.048 V或2.5 V，并且经过微调，具有高初始精度和低温度漂移（典型值为10 ppm/°C）。在多个ADS7871共享同一基准的情况下，也可以使用外部基准。

（四）接口兼容性强

支持SPI、QSPI、Microwire和8051系列协议，无需额外的胶合逻辑，方便与各种微控制器和数字信号处理器（DSP）进行通信。

（五）低功耗运行

工作电压范围为2.7 - 5.5 V，在不同采样率下的功耗表现优秀。例如，在1 kHz采样率且REF和BUF开启、内部振荡器开启的情况下，功耗仅为6 mW；在48 kHz采样率且REF和BUF开启、使用外部CCLK时，功耗为8.5 - 11 mW；在掉电模式下，功耗低至5 μW。

三、电气特性

（一）模拟输入特性

输入电压在-0.2 V至VDD + 0.2 V范围内可实现线性操作，输入电容在4 - 9.7 pF之间，输入阻抗在不同模式下也有良好的表现。通道间串扰低至100 dB，最大泄漏电流为100 pA，保证了信号的准确采集。

（二）静态精度

分辨率达到14位，无失码位数为13 - 14位，积分线性误差和差分线性误差都在较小范围内，偏移误差和满量程增益误差也得到了很好的控制，确保了数据的高精度转换。

（三）动态特性

连续模式下的吞吐量速率可达48 kSamples/sec，内部振荡器频率为2.5 MHz，串行接口时钟SCLK最高可达20 MHz，数据建立时间和保持时间均为10 ns，满足高速数据采集的需求。

（四）数字输出特性

数据编码支持二进制补码形式，逻辑电平在不同负载条件下有明确的规定，泄漏电流低至1 μA，输出电容为5 pF，保证了数字信号的稳定传输。

（五）电压基准和缓冲放大器

内部基准电压输出精度高，输出驱动能力为±0.6 μA。参考缓冲器的输入电压范围为0.9 - VDD - 0.2 V，输入阻抗高达1000 - 13 GΩ，输出电压精度随温度变化小，输出驱动能力为20 mA。

四、功能模块详解

（一）多路复用器

ADS7871的8个模拟信号输入引脚（LN0 - LN7）通过模拟开关网络连接到MUX模块。输入通道可灵活配置，并且每个输入引脚都有ESD保护电路。在正常操作下，输入信号应保持在GND - 0.2 V至VDD + 0.2 V的线性输入共模电压范围内。

（二）转换时钟

转换时钟（CCLK）及其衍生信号被电压基准、PGA和A/D转换器使用。CCLK引脚既可以作为输入，也可以作为输出。通过设置OSC ENABLE引脚或相关寄存器位，可以选择使用内部振荡器或外部时钟。为了减少多时钟和系统噪声引起的A/D转换误差，可以将一个ADS7871设置为转换时钟主设备，其他设备作为从设备。

（三）电压参考和缓冲放大器

采用专利的开关电容带隙基准实现，可通过软件配置输出电压。内部参考输出（VREF）不能直接驱动典型负载，需要使用单独的缓冲放大器来提供负载电流。参考缓冲器能够快速为滤波电容充电，但吸收电流能力有限。

（四）可编程增益放大器

PGA提供多种增益选择，是一种单电源、轨到轨输入、自动调零的基于电容的仪表放大器。通过监测输出数据的最低有效位（OVL位），可以检测PGA输出是否达到削波或非线性操作状态，方便进行自动量程应用。

（五）模数转换器

14位逐次逼近型A/D转换器，输出数据为二进制补码格式。在不同输入配置下，具有明确的转换函数，能够准确地将模拟信号转换为数字信号。

（六）转换周期

一个转换周期需要50个DCLK（DCLK = CCLK/DF），其中PGA操作需要36个DCLK，SAR转换器需要14个DCLK。在转换过程中，内部电容负载会发生变化，因此需要在输入差分端连接电容来滤波。

五、操作模式

（一）直接模式

通过写入一个8位指令字节（D7 = 1）启动转换，同时设置PGA增益和输入通道选择。该指令的低7位会写入Gain/Mux寄存器，其他参数使用之前存储在相应寄存器中的值。

（二）寄存器模式

当指令字节的D7 = 0时，进入寄存器模式，可对ADS7871的各个寄存器进行读写操作。用户可以通过寄存器控制芯片的各种功能和特性，如MUX通道选择、PGA增益设置、A/D转换启动等。

六、应用信息

（一）支持元件

为了保证ADS7871的性能，需要良好的电源旁路电容。在电源线上并联一个低ESR陶瓷电容和一个大值电解电容，同时在VREF引脚连接一个约0.01 μF的陶瓷电容可以改善内部电压基准电路的噪声性能。如果使用内部缓冲放大器，需要在其输出端连接一个滤波电容。

（二）微控制器连接

ADS7871可以与多种微控制器进行连接，如Motorola M68HC11和Intel 80C51。在与不同微控制器连接时，需要根据其接口特性设置相应的寄存器位，以实现最佳兼容性。

七、总结

ADS7871以其丰富的功能、高精度的转换性能和低功耗的特点，成为了便携式电池供电系统、低功耗仪器仪表、低功耗控制系统和智能传感器应用等领域的理想选择。作为电子工程师，我们在设计数据采集系统时，ADS7871无疑是一个值得考虑的优秀方案。大家在实际应用中是否遇到过类似芯片的使用问题呢？欢迎在评论区分享交流。