ADS1218：8通道24位模数转换器的技术剖析与应用指南

 

在电子工程师的日常工作中，高精度的模数转换器（ADC）是实现精确数据采集和处理的关键组件。今天，我们就来深入探讨德州仪器（Texas Instruments）的ADS1218，这是一款具有8通道、24位分辨率且集成闪存的模数转换器，它在工业过程控制、色谱分析、血液分析等众多领域都有广泛的应用。

文件下载：ads1218.pdf

一、ADS1218的特性亮点

1. 高精度转换

ADS1218具备24位无失码性能，积分非线性（INL）仅为0.0015%，有效分辨率在PGA = 1时可达22位，PGA = 128时为19位。这使得它能够在各种复杂的应用场景中提供高精度的数字输出，满足对数据准确性要求极高的应用需求。

2. 丰富的功能特性

• 可编程增益放大器（PGA）：PGA范围从1到128，可根据实际需求灵活调整增益，以适应不同幅度的输入信号。
• 闪存存储器：拥有4KB的闪存，可在2.7V至5.25V的电压范围内进行编程，方便存储配置参数和校准数据。
• 可编程数据输出速率：最高可达1kHz，能够根据系统的实时性要求调整数据输出速率。
• 高精度参考电压：片上集成1.25V/2.5V参考电压，精度为0.2%，漂移仅为5ppm/°C，同时支持0.1V至2.5V的外部差分参考电压。
• 低功耗设计：功耗小于1mW，适合对功耗要求严格的便携式仪器等应用。

二、电气特性详解

1. 不同供电电压下的性能

文档中详细给出了AVDD = 5V和AVDD = 3V两种供电电压下的电气特性参数。以AVDD = 5V为例，在特定的测试条件下（如fMOD = 19.2kHz，fosc = 2.4576MHz，PGA = 1，Buffer On等），ADS1218的分辨率可达24位，积分非线性为±0.0015%，共模抑制比（CMRR）在fcM = 60Hz、fDATA = 10Hz时可达130dB等。而在AVDD = 3V的情况下，部分参数会有所变化，例如输入阻抗、功耗等，工程师在设计时需要根据实际的供电电压来选择合适的参数。

2. 关键参数分析

• 分辨率和有效分辨率：分辨率是衡量ADC能够分辨的最小输入信号变化的能力，而有效分辨率则考虑了噪声等因素对实际分辨率的影响。ADS1218在不同的PGA设置下，有效分辨率会有所不同，工程师需要根据具体应用场景选择合适的PGA值以获得最佳的分辨率。
• 噪声性能：输出噪声是影响ADC精度的重要因素之一。文档中给出了在不同信号频率下的输出噪声特性，工程师可以根据应用对噪声的要求，选择合适的滤波器和工作参数来降低噪声影响。
• 电源抑制比（PSRR）：PSRR反映了ADC对电源电压波动的抑制能力。ADS1218的PSRR在直流时可达80dB以上，能够有效减少电源波动对转换结果的影响。

三、功能模块解析

1. 输入多路复用器

输入多路复用器允许用户从8个模拟输入通道中选择任意组合的差分输入。同时，还提供了电流源，可用于检测输入引脚的开路或短路情况。这种灵活的输入选择方式使得ADS1218能够适应多种不同的信号采集需求。

2. 温度传感器

片上集成的二极管可实现温度传感功能。当输入多路复用器的配置寄存器设置为全1时，二极管连接到A/D转换器的输入，通过测量二极管的电压变化来获取温度信息。这为一些需要同时监测温度的应用提供了便利。

3. 烧断电流源

当ACR配置寄存器中的Burnout位设置为1时，会启用两个电流源，分别在正输入通道提供约2µA的电流，在负输入通道吸收约2µA的电流。通过检测这两个电流源的变化，可以判断输入差分对是否存在开路或短路情况。

4. 输入缓冲器

ADS1218的输入缓冲器可通过BUFEN引脚和ACR寄存器中的BUFFER位进行控制。启用缓冲器后，输入阻抗会提高，但输入电压范围会减小，同时模拟电源电流会增加。工程师需要根据具体应用的输入信号特性和系统功耗要求来决定是否启用缓冲器。

5. IDAC1和IDAC2

ADS1218拥有两个独立的8位电流输出DAC（IDAC1和IDAC2），输出电流可通过RDAC、ACR寄存器中的范围选择位和IDAC寄存器中的8位数字值进行设置。输出电流的计算公式为：输出电流 = VREF /(8 RDAC)(2^(RANGE - 1))(DAC CODE)。这两个IDAC可用于为外部电路提供精确的电流驱动。

6. 可编程增益放大器（PGA）

PGA可设置为1、2、4、8、16、32、64或128的增益值。通过调整PGA的增益，可以提高A/D转换器的有效分辨率。例如，在5V满量程范围下，PGA = 1时可分辨到1µV；在40mV满量程范围下，PGA = 128时可分辨到75nV。

7. PGA偏移DAC

通过ODAC寄存器可以将PGA的输入偏移半个满量程输入范围。ODAC寄存器是一个8位值，最高位为符号位，低7位表示偏移量的大小。使用ODAC寄存器不会降低A/D转换器的性能。

8. 调制器

调制器是一个单环二阶系统。其时钟速度（fMOD）由外部时钟（fosc）通过SETUP寄存器中的SPEED位进行分频得到。当SPEED = 0时，fMOD = fosc / 128；当SPEED = 1时，fMOD = fosc / 256。

9. 电压参考输入

ADS1218采用差分电压参考输入，输入信号与差分电压VREF = (VREF+) - (VREF -)进行比较。在AVDD = 5V时，VREF通常为2.5V；在AVDD = 3V时，VREF通常为1.25V。由于调制器的采样特性，参考输入电流会随着调制器时钟频率（fMOD）和PGA设置的增加而增大。

10. 片上电压参考

片上提供了可选的1.25V或2.5V参考电压，通过设置SETUP寄存器中的REF EN和REF HI位来启用和选择电压。使用片上参考电压时，需要将VREF - 连接到AGND，VREF连接到VREFOUT。

四、数字接口与通信

1. 数字I/O接口

ADS1218拥有8个专用的数字I/O引脚，默认上电状态为输入模式。这些引脚可通过DIR控制寄存器单独配置为输入或输出，方便与外部设备进行数字信号的交互。

2. 串行外设接口（SPI）

SPI接口允许控制器与ADS1218进行同步通信，ADS1218工作在从机模式。在进行数据交换时，需要先将芯片选择（CS）引脚拉低，以激活ADS1218。

3. 数据准备信号（DRDY）

DRDY引脚作为状态信号，用于指示何时可以从ADS1218读取数据。当有新数据可用时，DRDY引脚变为低电平；读取数据寄存器操作完成后，DRDY引脚恢复为高电平。

4. DSYNC操作

DSYNC用于实现A/D转换与外部事件的同步。可以通过DSYNC引脚或DSYNC命令来实现同步。当使用DSYNC引脚时，在其下降沿会重置滤波器计数器，调制器保持复位状态，直到DSYNC引脚变为高电平，然后在系统时钟的下一个上升沿实现同步。

五、存储器与寄存器

1. 寄存器

ADS1218共有16个寄存器，直接控制着各种功能，如PGA、DAC值、抽取比等。这些寄存器可以直接读写，包含了配置芯片所需的所有信息。

2. RAM

RAM共有8个存储银行，每个银行由16字节组成，总大小为128字节。可以通过串行接口直接读写RAM，并且可以在不同的存储银行之间进行数据复制和校验。

3. 闪存

闪存可用于存储非易失性数据，读写操作以页为单位进行。上电或复位时，闪存页0的内容会加载到RAM中，然后RAM银行0的内容会加载到配置寄存器中。通过WR2F和RF2R命令可以实现RAM与闪存之间的数据读写操作。

六、命令定义

文档中详细列出了ADS1218的各种命令，包括读取数据、连续读取数据、寄存器读写、RAM读写、闪存读写、校准命令等。每个命令都有相应的编码和操作说明，工程师可以根据实际需求选择合适的命令来实现对ADS1218的控制和数据交互。

七、应用建议

1. 校准操作

校准是确保ADS1218高精度转换的重要步骤。在电源上电、抽取比改变或PGA改变后，需要进行校准操作。内部校准（自校准）通过三个命令实现，分别是同时进行偏移和增益校准、增益校准和偏移校准。系统校准则需要在输入施加合适的信号，分别进行系统偏移校准和系统增益校准。

2. 滤波器选择

ADS1218支持快速 settling、sinc2和sinc3三种滤波器，还可以工作在自动模式。在选择滤波器时，需要根据应用对噪声和响应速度的要求进行权衡。例如，快速 settling滤波器响应速度快，但噪声较大；sinc3滤波器噪声低，但建立时间长。

3. 布局和布线

在进行PCB设计时，需要注意ADS1218的布局和布线。模拟信号和数字信号应分开布线，以减少干扰。同时，要合理放置去耦电容，确保电源的稳定性。

八、总结

ADS1218作为一款高性能的8通道24位模数转换器，凭借其高精度、丰富的功能特性和低功耗等优点，在工业、医疗、仪器仪表等众多领域都有广泛的应用前景。电子工程师在使用ADS1218时，需要深入理解其各项特性和工作原理，根据具体的应用需求进行合理的配置和设计，以充分发挥其性能优势。在实际应用中，你是否遇到过类似高精度ADC的配置难题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。