深入解析ADS1110：16位高精度模数转换器的卓越之选

 

在电子工程师的日常设计工作中，常常需要高精度、低功耗且易于集成的模数转换器（ADC）来满足各种应用需求。今天我们就来详细探讨一下德州仪器（Texas Instruments）的ADS1110，一款在众多领域都有出色表现的16位模数转换器。

文件下载：ads1110.pdf

一、ADS1110概述

ADS1110是一款精密的、连续自校准的模数转换器，采用小巧的SOT23 - 6封装，却集成了完整的数据采集系统。它具备差分输入，分辨率最高可达16位，非常适合对空间和功耗有严格要求的应用场景。其主要特性包括：

1. 片上参考电压：提供2.048V ±0.05%的高精度参考电压，温度漂移仅为5ppm/°C。
2. 可编程增益放大器（PGA）：增益最高可达8倍，能够对小信号进行高分辨率测量。
3. 片上振荡器：无需外部时钟源，简化了设计。
4. 16位无失码：保证了转换的准确性。
5. 连续自校准：自动补偿增益和偏移误差，提高测量精度。
6. 单周期转换：快速完成转换过程。
7. 可编程数据速率：支持15SPS至240SPS的数据转换速率，可根据应用需求灵活调整。
8. I²C接口：提供八个可用地址，方便多设备连接。
9. 宽电源电压范围：2.7V至5.5V，适用于各种电源系统。
10. 低功耗：仅240µA的电流消耗，延长了电池供电设备的续航时间。

二、技术规格剖析

（一）绝对最大额定值

在使用ADS1110时，必须注意其绝对最大额定值，以避免对器件造成永久性损坏。例如，VDD到GND的电压范围为 -0.3V至 +6V，输入电流瞬间最大为100mA，连续最大为10mA等。具体参数可参考数据手册中的表格。

（二）电气特性

1. 模拟输入：全量程输入电压根据PGA设置不同而变化，差分输入阻抗和共模输入阻抗也与PGA有关。工程师在设计时需要根据实际输入信号的特性来选择合适的PGA增益。
2. 系统性能：分辨率和数据速率可通过配置寄存器进行编程。不同的数据速率对应不同的分辨率，如15SPS时分辨率为16位，240SPS时分辨率为12位。输出噪声、积分非线性、偏移误差等指标也会影响测量的准确性，需要在设计中加以考虑。
3. 数字输入/输出：逻辑电平、输入泄漏电流等参数决定了与其他数字电路的兼容性。
4. 电源要求：电源电压范围为2.7V至5.5V，在不同的工作模式下，电源电流和功耗也有所不同。例如，在掉电模式下，电源电流仅为0.05µA。

（三）典型特性曲线

典型特性曲线展示了ADS1110在不同温度、电源电压和I²C总线频率下的性能表现。通过分析这些曲线，工程师可以更好地了解器件的特性，优化设计方案。例如，从电源电流与温度的关系曲线中，可以预测在不同温度环境下的功耗情况。

三、工作原理详解

（一）模数转换核心

ADS1110采用差分开关电容Δ - Σ调制器和数字滤波器实现模数转换。调制器测量正负模拟输入之间的电压差，并与2.048V参考电压进行比较，数字滤波器对调制器输出的高速位流进行处理，输出与输入电压成比例的代码。

（二）电压参考

片上2.048V电压参考是ADS1110的重要组成部分，它直接影响转换器的增益和漂移特性。需要注意的是，该参考电压为内部专用，不能直接测量或供外部电路使用。

（三）输出代码计算

输出代码与两个模拟输入之间的电压差成正比，其计算公式为： [Output Code = -1 × Min Code × PGA × \frac{(V{IN+}) - (V{IN-})}{2.048 V}] 其中，Min Code根据数据速率不同而变化，如15SPS时为 -32,768。ADS1110以二进制补码格式输出代码，且所有代码右对齐并进行符号扩展，方便进行数据处理。

（四）自校准

为了补偿调制器中的增益和偏移误差，ADS1110内置了连续自校准电路。该电路无需用户干预，且不能被停用，保证了测量的准确性。

（五）时钟振荡器

片上时钟振荡器为调制器和数字滤波器提供时钟信号，其频率受电源电压和温度影响。由于不能使用外部系统时钟，在设计时需要考虑时钟频率的稳定性对转换性能的影响。

（六）输入阻抗

ADS1110采用开关电容输入级，其输入阻抗与PGA设置和时钟频率有关。对于高输出阻抗的信号源，可能需要使用缓冲器来提高测量精度，但同时要注意缓冲器引入的噪声和误差。

（七）抗混叠

当输入信号频率超过数据速率的一半时，会发生混叠现象。ADS1110的数字滤波器可以对高频噪声进行一定程度的衰减，但在某些应用中，仍需要外部抗混叠滤波器来保证测量的准确性。

四、使用方法与操作模式

（一）操作模式

ADS1110支持连续转换和单转换两种操作模式。在连续转换模式下，器件会不断进行转换；在单转换模式下，需要将转换寄存器中的ST/DRDY位置1来启动一次转换，转换完成后，器件会自动掉电，降低功耗。

（二）复位与上电

上电时，ADS1110会自动进行复位，将配置寄存器中的所有位设置为默认值。此外，它还可以响应I²C通用调用复位命令，实现内部复位。

（三）I²C接口

ADS1110通过I²C接口与其他设备进行通信。I²C是一种两线制的开漏接口，支持多个设备和主设备在同一总线上通信。ADS1110只能作为从设备，其I²C地址有八种不同的选择，方便多设备连接。

（四）寄存器操作

ADS1110有两个可通过I²C端口访问的寄存器：输出寄存器和配置寄存器。输出寄存器存储最后一次转换的结果，配置寄存器用于控制器件的工作模式、数据速率和PGA设置。

（五）读写操作

读取ADS1110的输出寄存器和配置寄存器时，需要先对器件进行读寻址，然后读取三个字节的数据。写入配置寄存器时，只需发送一个字节的数据。

五、应用案例与设计建议

（一）基本连接

对于大多数应用，ADS1110的连接非常简单。其差分输入适合连接到低阻抗的差分信号源，如桥式传感器和热敏电阻。在转换过程中，需要使用0.1µF的旁路电容来提供瞬间的额外电流。同时，I²C总线的SDA和SCL线上需要使用上拉电阻，电阻值的选择要根据总线的工作速度和电容来确定。

（二）多设备连接

由于ADS1110有八种不同的I²C地址，因此可以方便地将多个器件连接到同一总线上。在连接多个设备时，需要注意上拉电阻的取值，以补偿总线电容的增加。

（三）使用GPIO端口模拟I²C

如果没有可用的I²C控制器，可以使用微控制器的GPIO引脚模拟I²C总线协议。在这种情况下，需要注意时钟线的处理，避免出现驱动冲突。

（四）单端输入测量

虽然ADS1110是差分输入的ADC，但也可以通过将一个输入引脚接地，实现单端输入测量。需要注意的是，单端输入测量会损失一位分辨率。

（五）低侧电流监测

在低侧电流监测应用中，可以使用ADS1110测量分流电阻上的电压，通过放大电路将电压放大后进行测量。建议将ADS1110的增益设置为8，以提高测量精度。

（六）保护措施

由于ADS1110的模拟输入保护二极管的电流处理能力有限，当输入电压超过电源轨约300mV时，可能会对器件造成永久性损坏。因此，在设计时可以在输入线上使用限流电阻来保护器件。

六、总结

ADS1110以其高精度、低功耗、小封装和易于集成的特点，成为了众多应用领域的理想选择。无论是便携式仪器、工业过程控制还是智能变送器等，ADS1110都能提供可靠的测量解决方案。作为电子工程师，我们在使用ADS1110时，需要深入了解其技术规格和工作原理，根据实际应用需求进行合理的设计和配置，以充分发挥其性能优势。同时，在设计过程中要注意保护器件，避免因过压、过流等问题导致器件损坏。希望通过本文的介绍，能帮助大家更好地掌握ADS1110的使用方法，为电子设计工作带来更多的便利和创新。

你在实际使用ADS1110的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区留言分享你的经验和见解。