深入解析ADS1251：24位高精度模数转换器的卓越性能与应用

 

在电子工程师的设计工具箱中，高精度模数转换器（ADC）是实现精确数据采集的关键组件。今天，我们将深入探讨德州仪器（TI）的ADS1251，这是一款具有24位分辨率的高性能Delta-Sigma ADC，广泛应用于需要高精度测量的各种领域。

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一、ADS1251概述

ADS1251是一款精密、宽动态范围的Delta-Sigma模数转换器，可在单+5V电源下工作，实现24位分辨率。其Delta-Sigma架构具有宽动态范围和无丢失码的特性，在高达20kHz的数据速率下可实现19位的有效分辨率（均方根噪声为1.5ppm）。

1.1 主要特性

• 高精度：24位无丢失码，最高20kHz数据速率下有效分辨率达19位。
• 低噪声：仅1.5ppm的噪声水平，确保测量的准确性。
• 差分输入：提供差分输入方式，增强抗干扰能力。
• 低功耗：20kHz时功耗为8mW，10kHz时为5mW。
• 灵活的参考电压：支持0.5V至5V的外部参考电压。
• 多种工作模式：具备掉电模式和同步模式，方便系统设计。

1.2 应用领域

ADS1251适用于多种高精度测量应用，如心脏诊断、直接热电偶接口、血液分析、红外高温计、液相/气相色谱分析以及精密过程控制等。

二、技术参数详解

2.1 绝对最大额定值

在使用ADS1251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，模拟输入电流瞬时值不得超过±10mA，连续值为±10mA；模拟输入电压范围为ND - 0.3V至Vo + 0.3V等。同时，该集成电路对静电放电（ESD）敏感，因此在处理和安装时需采取适当的预防措施。

2.2 电气特性

• 模拟输入：满量程输入电压为VREF，差分输入阻抗随系统时钟频率（CLK）变化，输入泄漏电流在不同温度下有不同的规格。
• 动态特性：数据速率最高可达20.8kHz，带宽为4.24kHz，系统时钟输入频率为8MHz。
• 精度指标：积分非线性（INL）最大为15ppm，总谐波失真（THD）为-105dB，噪声分辨率为1.5ppm均方根。
• 温度性能：偏移漂移为0.07ppm/°C，增益漂移为0.4ppm/°C。

2.3 引脚配置

ADS1251采用SO - 8封装，各引脚功能明确。例如，+VIN和 - VIN为差分模拟输入引脚，CLK为系统时钟输入引脚，DOUT/DRDY用于输出串行数据和指示数据准备就绪等。

三、工作原理剖析

3.1 模拟输入

ADS1251包含一个全差分模拟输入，基于全差分开关电容架构设计，可提供低系统噪声、98dB的共模抑制比和出色的电源抑制能力。其双极性输入电压范围在参考输入电压为+4.096V时为 - 4.096V至+4.096V。模拟输入的差分输入阻抗与系统时钟频率有关，具体关系为：阻抗（Ω）= (8MHz / CLK) · 210,000。

3.2 Delta-Sigma调制器

系统时钟频率（CLK）除以6得到调制器频率（fMOD）。例如，当CLK为8MHz时，fMOD为1.333MHz。调制器的过采样率固定为64，因此数据速率为20.8kHz。降低系统时钟频率会导致数据输出速率降低。

3.3 数字滤波器

ADS1251的数字滤波器为Sinc5低通滤波器，基于Delta-Sigma调制器的最新输出计算数字结果。数据输出速率与系统时钟频率成正比，可通过改变系统时钟频率在很宽的范围内调整数据输出速率。滤波器的 - 3dB点为数据输出速率的0.2035倍，因此数据输出速率应留有足够的余量，以防止感兴趣信号的衰减。

3.4 控制逻辑

控制逻辑用于ADS1251的通信和控制。上电时，所有数字和模拟输入引脚必须为低电平。上电后，DOUT/DRDY线在第一次有效转换时会脉冲为低电平。数字滤波器需要5次转换才能完全稳定，即需要1920个系统时钟周期。

3.5 同步与掉电模式

• 同步模式：通过将SCLK保持高电平至少四个但小于20个连续的DOUT/DRDY周期，可同步多个ADS1251。
• 掉电模式：将SCLK保持高电平至少20个连续的DOUT/DRDY周期，ADS1251将进入掉电模式。

3.6 串行接口

ADS1251的串行接口简单易用，可与微控制器和数字信号处理器以多种方式连接。数据以24位结果的形式，采用偏移二进制补码格式，先输出最高有效位（MSB）。

四、应用与系统设计考虑

4.1 隔离与数据采集

ADS1251的串行接口提供了简单的隔离方法，CLK信号可本地提供，仅需SCLK和DOUT/DRDY两个信号进行隔离数据采集。

4.2 布局设计

• 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。
• 接地设计：模拟和数字部分应进行清晰的分区，各有独立的接地平面，并通过适当的信号走线连接。
• 去耦电容：所有去耦电容应尽可能靠近被去耦的引脚放置，以确保良好的去耦效果。

五、总结

ADS1251以其高精度、低噪声和低功耗的特性，成为众多高精度测量应用的理想选择。通过深入了解其工作原理和系统设计考虑因素，电子工程师可以充分发挥其性能优势，设计出更加可靠和精确的系统。在实际应用中，我们还需要根据具体需求对系统进行优化，以确保ADS1251能够在不同的工作条件下稳定运行。你在使用ADS1251的过程中遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。