深入解析ADS1240：高精度24位模数转换器的卓越性能与应用

 

在电子设计领域，高精度模数转换器（ADC）一直是实现精确数据采集的关键组件。TI公司的ADS1240和ADS1241作为24位高精度ADC，凭借其出色的性能和丰富的功能，在工业过程控制、称重秤、色谱分析等众多领域得到了广泛应用。本文将深入剖析这两款转换器的特点、工作原理及应用实例，为电子工程师们提供全面的技术参考。

文件下载：ads1240.pdf

一、产品概述

ADS1240和ADS1241是具有24位分辨率的高精度、宽动态范围的Delta - Sigma模数转换器，工作电源范围为2.7V至5.25V。它们具有以下显著特点：

1. 高精度转换：提供高达24位无丢失码性能，有效分辨率可达21位（PGA = 1），19位（PGA = 128），积分非线性仅为±0.0015%。
2. 工频干扰抑制：具备同时抑制50Hz和60Hz干扰的能力，最小抑制比可达 - 90dB，确保在复杂电磁环境下的稳定工作。
3. 可编程增益放大器（PGA）：增益范围从1到128，可根据不同的输入信号幅度灵活调整，提高转换精度。
4. 单周期稳定：采用单周期稳定的数字滤波器，在新通道选择后的第一次转换即可提供有效数据。
5. 多种功能特性：支持片上校准、SPI兼容接口、多达八个输入通道和数据I/O引脚，以及传感器故障检测功能。

二、关键特性详解

2.1 输入多路复用器

输入多路复用器允许用户在任意输入通道上选择任意组合的差分输入。ADS1241最多可实现八个单端输入通道或四个独立差分输入通道，而ADS1240最多可实现四个单端输入通道或两个独立差分输入通道。为了最小化建立误差，建议在DRDY信号下降沿同步多路复用器的切换。

2.2 故障检测电流源

通过设置SETUP寄存器中的BOCS位，可激活两个2µA的故障检测电流源，分别连接到转换器的正负输入。当传感器开路时，正输入电流源将正输入拉至正模拟电源，负输入电流源将负输入拉至地，转换器输出满量程值；当传感器短路时，由于输入电位相同，转换器输出近似为零。

2.3 输入缓冲器

对于需要高输入阻抗的系统，ADS1240/41提供了斩波稳定的差分FET输入电压缓冲器。激活后，输入阻抗可提高至约5GΩ。缓冲器的输入范围约为50mV至$AV_{DD}-$ 1.5V，超出此范围线性度会下降。缓冲器可通过BUFEN引脚或ACR寄存器中的BUFEN位启用，启用时会消耗额外电流，电流大小取决于PGA设置。

2.4 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。使用PGA可以提高ADC的有效分辨率，例如，在5V满量程信号下，PGA为1时可分辨至1µV；PGA为128且满量程信号为39mV时，可分辨至75nV。但需要注意的是，当PGA设置高于4时，$AV_{DD}$电流会增加。

2.5 偏移DAC

通过偏移DAC（ODAC）寄存器，可将PGA的输入偏移半个满量程输入范围。ODAC寄存器为8位值，最高位为符号位，其余7位表示偏移量的大小。使用偏移DAC不会降低ADC的性能。

2.6 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（$f{OSC}$）分频得到，分频比由SETUP寄存器中的SPEED位决定。

2.7 校准功能

ADS1240和ADS1241支持自校准和系统校准两种方式，可有效减小偏移和增益误差。自校准通过SELFGCAL、SELFOCAL和SELFCAL命令实现，分别进行增益校准、偏移校准和两者同时校准；系统校准通过SYSOCAL和SYSGCAL命令实现，可校正内部和外部的偏移和增益误差。校准应在上电、温度变化或PGA改变后进行，校准期间需禁用ODAC，校准完成后DRDY信号会变低，第一次校准后的数据应丢弃。

2.8 外部电压参考

ADS1240和ADS1241需要外部差分电压参考，参考电压由$+VREF$和$-V{REF}$引脚之间的电压差表示，每个引脚的绝对电压范围为AGND至$AV{DD}$。但参考电压存在一定限制，具体取决于$AV_{DD}$和ACR寄存器中的RANGE位设置。

2.9 时钟发生器

时钟源可以是晶体、振荡器或外部时钟。当使用晶体时，需要提供外部电容以确保启动和稳定的时钟频率。$X_{OUT}$仅用于外部晶体，不能作为外部电路的时钟驱动器。

2.10 数字滤波器

ADS1240和ADS1241采用1279抽头线性相位有限脉冲响应（FIR）数字滤波器，可通过编程实现不同的输出数据速率。当使用2.4576MHz晶体时，可设置为15Hz、7.5Hz或3.75Hz的输出数据速率，此时数字滤波器可同时抑制50Hz和60Hz干扰。若需要不同的数据输出速率，可使用不同的晶体频率，但抑制频率会相应改变。

2.11 数据I/O接口

ADS1240有四个引脚，ADS1241有八个引脚，兼具模拟输入和数据I/O的双重功能。这些引脚由$AV_{DD}$供电，可通过IOCON、DIR和DIO寄存器进行配置。

2.12 串行外设接口（SPI）

采用标准的四线SPI接口（CS、SCLK、$D{IN}$和$D{OUT}$），支持两种串行时钟极性（POL引脚）。在通信前，CS输入必须外部置低，通信期间保持低电平。SCLK为施密特触发输入，用于时钟$D{IN}$和$D{OUT}$数据。POL引脚控制SCLK的极性，决定数据在SCLK的上升沿还是下降沿时钟。

2.13 数据就绪DRDY引脚

DRDY线作为状态信号，当内部数据寄存器有新数据时，DRDY变低；数据读取完成后，DRDY复位为高。在输出寄存器更新前，DRDY也会变高，提示此时不应读取数据。通过查询ACR寄存器的第7位，也可获取DRDY的状态。

2.14 DSYNC操作

可通过DSYNC引脚或DSYNC命令实现同步。使用DSYNC引脚时，数字电路在DSYNC下降沿复位，DSYNC为低时，串行接口停用；DSYNC变高后，在下一个系统时钟上升沿实现同步。发送DSYNC命令时，数字滤波器在DSYNC命令的最后一个SCLK边沿复位，调制器保持复位状态，直到检测到下一个SCLK边沿，随后在下一个系统时钟上升沿实现同步。

2.15 上电电源电压斜坡速率

上电复位电路设计可适应低至1V/10ms的数字电源斜坡速率，为确保正常工作，电源应单调上升。

2.16 复位功能

可通过三种方式将寄存器复位到默认值：置位RESET引脚、发送RESET命令或在SCLK上施加特殊波形。

三、寄存器与控制命令

3.1 寄存器

ADS1240和ADS1241通过16个寄存器进行配置，包括SETUP、MUX、ACR、ODAC等。每个寄存器的不同位控制着转换器的各种功能，如PGA增益选择、输入通道选择、数据格式、时钟速度等。

3.2 控制命令

通过一系列控制命令可实现对转换器的各种操作，如读取数据（RDATA、RDATAC）、停止连续读取（STOPC）、读取和写入寄存器（RREG、WREG）、校准（SELFCAL、SELFOCAL、SYSOCAL等）、唤醒和睡眠（WAKEUP、SLEEP）等。

四、应用实例

4.1 通用称重秤

在通用称重秤应用中，可将内部PGA设置为64或128（取决于称重传感器的最大输出电压），使称重传感器的输出直接连接到ADS1240的差分输入。

4.2 高精度称重秤

在高精度称重秤应用中，前端差分放大器可帮助最大化动态范围，提高测量精度。

五、总结

ADS1240和ADS1241以其高精度、丰富的功能和灵活的配置，为电子工程师在数据采集和处理领域提供了强大的工具。通过深入了解其工作原理、寄存器配置和控制命令，工程师们可以根据具体应用需求，充分发挥这两款转换器的优势，设计出更加高效、稳定的系统。在实际应用中，还需要注意电源管理、时钟稳定性、电磁兼容性等问题，以确保系统的性能和可靠性。你在使用ADS1240/1241过程中遇到过哪些挑战呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。