深度剖析ADS1216：24位高精度模数转换器的卓越性能与应用

 

在电子工程师的日常工作中，高精度的模数转换器（ADC）是实现精确测量和数据采集的关键组件。今天，我们就来深入探讨一款性能卓越的24位模数转换器——ADS1216，看看它在各种应用场景中是如何发挥作用的。

文件下载：ads1216.pdf

一、ADS1216的核心特性

1. 高精度与高分辨率

ADS1216具备24位无失码性能，有效分辨率可达22位（PGA = 1时），在PGA = 128时仍有19位的有效分辨率。这种高精度使得它能够在各种复杂的测量环境中，准确地将模拟信号转换为数字信号，为后续的数据处理提供可靠的基础。

2. 可编程增益放大器（PGA）

PGA的增益范围从1到128可选择，这为不同幅度的输入信号提供了灵活的放大倍数。例如，在低电平信号测量时，可以选择较高的增益，以提高测量的灵敏度；而在高电平信号测量时，则可以选择较低的增益，避免信号饱和。

3. 丰富的输入通道与功能

ADS1216拥有八个输入通道，并且支持多路复用。内部缓冲器可以提供非常高的输入阻抗，方便直接连接传感器或低电平电压信号。此外，还配备了烧断电流源，可用于检测传感器的开路或短路情况；8位数字 - 模拟转换器（DAC）可提供偏移校正，范围可达满量程范围（FSR）的50%。

4. 低功耗设计

ADS1216的工作电压范围为2.7V至5.25V，功耗小于1mW。这种低功耗特性使得它非常适合用于便携式仪器和电池供电设备，延长了设备的续航时间。

二、电气特性详解

1. 绝对最大额定值

在使用ADS1216时，需要注意其绝对最大额定值，如输入电压、输入电流、最大结温等。超过这些额定值可能会导致器件永久性损坏，影响设备的正常运行。

2. 电气参数

ADS1216的电气参数包括输入输出电压、电流、噪声、漂移等。例如，片上电压参考的输出电压在REF HI = 1时为2.4 - 2.6V，REF HI = 0时为1.25V；IDAC的满量程输出电流可根据不同的设置进行调整。这些参数的稳定性和准确性直接影响到ADC的性能。

三、关键模块与功能

1. 输入多路复用器

输入多路复用器允许用户选择任意组合的差分输入通道，最多可实现八个全差分输入通道。同时，还提供了电流源，用于检测引脚的开路或短路情况。

2. 温度传感器

片上二极管可用于温度传感。当输入MUX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实现温度测量。

3. 烧断电流源

在ACR配置寄存器中设置烧断位后，两个电流源将被启用，分别在正输入通道提供约2µA的电流源，在负输入通道吸收约2µA的电流。通过检测电流的变化，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

输入缓冲器可以提高输入阻抗，但启用缓冲器会降低输入电压范围，并增加模拟电源电流。缓冲器的状态由缓冲器引脚和ACR寄存器中的BUFFER位共同控制。

5. IDAC1和IDAC2

ADS1216拥有两个独立的8位电流输出DAC，输出电流可通过$R_{DAC}$、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。

6. PGA和PGA偏移DAC

PGA可提供1到128的增益选择，通过调整PGA的增益，可以提高A/D转换器的分辨率。PGA偏移DAC可通过ODAC寄存器将PGA的输入偏移半个满量程输入范围，且不影响A/D转换器的性能。

7. 调制器

调制器是一个单环、二阶系统，其时钟速度$f{MOD}$由外部时钟$f{OSC}$派生而来，频率分频由设置寄存器中的SPEED位决定。

8. 电压参考输入

ADS1216使用差分电压参考输入，参考输入电流会随着调制器时钟频率和PGA设置的增加而增加。片上提供了可选的1.25V或2.5V电压参考，使用时需要通过设置寄存器中的REF EN和REF HI位进行控制。

9. 校准

通过校准可以降低ADS1216或整个系统的偏移和增益误差。内部校准（自校准）包括偏移和增益校准、增益校准和偏移校准三种命令，每个校准过程需要七个$t{DATA}$周期完成。系统校准需要在输入施加适当的信号，同样需要七个$t{DATA}$周期完成。

10. 数字滤波器

数字滤波器可选择快速稳定、$Sinc^{2}$或$Sinc^{3}$滤波器，还支持自动模式。自动模式会在输入通道或PGA改变后自动调整滤波器，结合了$Sinc^{3}$滤波器的低噪声优势和快速稳定滤波器的快速响应特性。

四、数字接口与内存

1. 数字I/O接口

ADS1216拥有八个专用的数字I/O引脚，默认上电时为输入状态。这些引脚可通过DIR控制寄存器单独配置为输入或输出，DIO寄存器用于定义数字输出的状态。

2. 串行外设接口（SPI）

SPI接口允许控制器与ADS1216进行同步通信，ADS1216工作在仅从模式。芯片选择（CS）输入必须在主设备与ADS1216交换数据前被外部拉低，串行时钟（SCLK）用于时钟数据传输。

3. 内存

ADS1216使用寄存器和RAM两种类型的内存。16个寄存器直接控制各种功能，可直接读写。RAM提供八个独立的寄存器组，每组16字节，总大小为128字节。通过RAM可以方便地存储不同输入通道的配置信息，提高了设备的使用灵活性。

五、命令定义与应用

ADS1216提供了一系列命令来控制其操作，如读取数据、连续读取数据、停止连续读取数据、读写寄存器和RAM、计算校验和、校准等。这些命令的使用需要注意命令字节的格式和时序要求，以确保数据的准确传输和设备的正常运行。

六、应用场景

ADS1216的高性能和丰富功能使其适用于多种应用场景，包括工业过程控制、液体/气相色谱分析、血液分析、智能变送器、便携式仪器、重量秤、压力传感器等。在这些应用中，ADS1216能够提供高精度的测量结果，满足不同用户的需求。

七、总结

ADS1216作为一款高精度、低功耗的24位模数转换器，具有丰富的功能和灵活的配置选项。在实际应用中，电子工程师需要根据具体的需求，合理选择和配置ADS1216的各项参数，以充分发挥其性能优势。同时，还需要注意器件的使用条件和命令时序，确保设备的稳定运行。希望通过本文的介绍，能够帮助大家更好地了解和使用ADS1216，为电子设计工作带来更多的便利和创新。

各位工程师朋友们，你们在使用ADS1216的过程中遇到过哪些问题或有什么独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流！