深入解析ADS1253：24位高精度ADC的卓越性能与应用指南

 

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和数据采集的关键组件。今天，我们将聚焦于德州仪器（Texas Instruments）的ADS1253，一款具备24位分辨率、20kHz数据速率的低功耗ADC，深入探讨其特性、工作原理、应用场景以及设计要点。

文件下载：ads1253.pdf

一、ADS1253的特性亮点

高精度与高分辨率

ADS1253拥有24位无失码性能，有效分辨率高达19位，在20kHz的数据速率下仍能保持出色的精度。低噪声特性（1.8ppm）使得它在处理微弱信号时表现卓越，能够满足各种高精度测量的需求。

丰富的输入通道

该转换器提供四个差分输入通道，可同时处理多个模拟信号，适用于多通道数据采集系统。

灵活的参考电压

支持0.5V至5V的外部参考电压，用户可以根据实际应用需求灵活选择参考电压，以实现不同的测量范围。

低功耗设计

在20kHz数据速率下功耗仅为8mW，10kHz时降至5mW，非常适合对功耗敏感的应用场景，如便携式仪器和电池供电设备。

多种工作模式

具备掉电模式和同步模式，方便用户在不同的工作场景下进行灵活配置，以优化系统性能和功耗。

二、应用场景广泛

ADS1253的高精度和低功耗特性使其在多个领域得到广泛应用，包括但不限于：

• 医疗诊断：如心脏诊断、血液分析等，能够精确采集生物电信号和生化参数。
• 工业控制：直接热电偶接口、精密过程控制等，确保工业生产过程中的精确测量和控制。
• 仪器仪表：红外高温计、液相/气相色谱仪等，为科学研究和实验提供高精度的数据采集。

三、工作原理剖析

模拟输入

ADS1253采用全差分模拟输入结构，基于全差分开关电容架构设计，能够提供低系统噪声、98dB的共模抑制比和出色的电源抑制比。输入电压范围为 - 4.096V至 + 4.096V（参考电压为 + 4.096V时），输入阻抗随系统时钟频率变化。为确保最佳线性度，建议使用全差分信号，并保证两侧对地电容相等。

输入多路复用器

通过CHS1和CHS0引脚选择模拟输入通道，推荐在完成前一通道的转换并读取数据后再进行通道切换。通道切换后，内部逻辑会在CLK的下降沿检测到变化并重置转换过程，新通道的转换数据在通道切换后的第一个DRDY信号有效。

delta - sigma调制器

ADS1253以8MHz的标称系统时钟频率工作，调制器频率为系统时钟频率的1/6（即1.333MHz），过采样率为64，数据速率为20.8kHz。系统时钟频率的变化会直接影响数据输出速率，用户可以根据实际需求选择合适的时钟频率。

参考输入

参考输入平均电流为32µA，推荐使用缓冲参考电路以确保稳定的参考电压。较高的参考电压可以增加满量程范围，同时降低噪声在满量程中的占比，提高有效分辨率。

数字滤波器

采用Sinc5数字低通滤波器，根据系统时钟频率调整数据输出速率，可在很宽的范围内进行变化。滤波器的 - 3dB点为数据输出速率的0.2035倍，用户可以通过设置数据输出速率来实现特定频率的信号抑制，如50Hz和60Hz的工频干扰。较低的数据输出速率还能提供更好的信号抑制性能，但可能无法满足系统的实时性要求，此时可以结合模拟前端设计和后续数字滤波来优化系统性能。

控制逻辑

控制逻辑用于ADS1253的通信和控制，包括上电序列、DOUT/DRDY信号的处理以及多转换器同步等功能。上电前，所有数字和模拟输入引脚必须置低；上电后，DOUT/DRDY线会在第一次有效转换时拉低，表示有新数据可供读取。

四、设计要点与注意事项

隔离与布局

• 隔离：ADS1253的串行接口提供简单的隔离方法，CLK信号可本地化，仅需SCLK和DOUT/DRDY两个信号进行隔离数据采集。通道选择信号也需要进行隔离，除非使用计数器自动复用通道。
• 电源供应：电源必须稳定且低噪声，避免数字线路在器件下方布线，以防止噪声耦合到芯片上，影响转换结果。
• 接地设计：系统设计中的模拟和数字部分应进行清晰的分区，各自拥有独立的接地平面，并通过适当的信号走线连接。对于多个转换器，应在所有转换器的中心位置连接两个接地平面。

系统考虑

在设计高分辨率系统时，需要综合考虑电源供应、接地、去耦等因素。对于简单系统，可以采用共用电源和接地平面的方式；而对于复杂系统，应将系统尽可能地拆分成多个独立部分，每个ADS1253可以配备独立的模拟处理前端。

五、数据格式与通信

ADS1253的数据以24位结果的形式输出，采用偏移二进制补码格式，MSB优先传输。通信可以在检测到上电后的第一个DOUT/DRDY脉冲后开始，数据必须在ADS1253进入DRDY模式之前时钟输出，以确保接收到有效数据。

六、总结

ADS1253作为一款高性能的24位ADC，凭借其高精度、低功耗、丰富的功能和广泛的应用场景，为电子工程师提供了一个优秀的解决方案。在实际设计中，我们需要深入理解其工作原理和特性，合理进行布局和系统设计，以充分发挥其优势，实现高精度的数据采集和处理。

你在使用ADS1253或其他类似ADC的过程中遇到过哪些挑战？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。