ADS1241模数转换器产品资料

 

在电子设计领域，高精度的模数转换器（ADC）是实现精确数据采集的关键。今天，我们将深入探讨德州仪器（TI）的ADS1240和ADS1241这两款24位高精度模数转换器，了解它们的特性、工作原理以及在实际应用中的表现。

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一、产品概述

ADS1240和ADS1241是德州仪器推出的高精度、宽动态范围的delta - sigma模数转换器，具备24位分辨率，可在2.7V至5.25V的电源电压下稳定工作。这两款转换器适用于对精度要求极高的应用场景，如工业过程控制、称重秤、液相/气相色谱分析以及便携式仪器等。

二、产品特性

2.1 高精度与高分辨率

• 无失码24位分辨率：确保了在数据转换过程中不会丢失任何信息，提供了极高的测量精度。
• 有效分辨率：在PGA = 1时，有效分辨率可达21位；在PGA = 128时，有效分辨率为19位，能够满足不同应用场景对分辨率的需求。
• 积分非线性（INL）：最大仅为±0.0015%，保证了转换结果的线性度。

2.2 抗干扰能力

具备同时抑制50Hz和60Hz干扰的能力，最小抑制比可达 - 90dB，有效减少了电源频率干扰对测量结果的影响。

2.3 可编程增益放大器（PGA）

PGA的增益范围从1到128，用户可以根据实际需求灵活调整增益，提高了转换器的适应性和动态范围。

2.4 其他特性

• 单周期稳定：在新通道选择后的第一个转换周期即可提供有效数据，缩短了测量时间。
• 可编程数据输出速率：用户可以根据实际应用需求选择合适的数据输出速率。
• 片上校准：支持自校准和系统校准，可有效减少偏移和增益误差。
• SPI兼容接口：方便与微控制器等设备进行通信。

三、关键技术解析

3.1 输入多路复用器

ADS1240和ADS1241的输入多路复用器允许用户选择任意组合的差分输入通道。ADS1241最多可提供八个单端输入通道或四个独立的差分输入通道，而ADS1240最多可提供四个单端输入通道或两个独立的差分输入通道。为了减少建立误差，建议在DRDY信号下降沿同步MUX通道的切换。

3.2 烧断电流源

烧断电流源可用于检测传感器的短路或开路状态。当传感器开路时，转换器输出满量程值；当传感器短路时，转换器输出近似为零。

3.3 输入缓冲器

当需要高输入阻抗时，可启用输入缓冲器，将输入阻抗从约5MΩ/PGA提高到约5GΩ。缓冲器的输入范围约为50mV至AVDD - 1.5V，超出此范围线性度会下降。

3.4 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，通过提高增益可以改善ADC的有效分辨率。但需要注意的是，当PGA设置高于4时，AVDD电流会增加。

3.5 偏移DAC

偏移DAC（ODAC）寄存器可将PGA的输入偏移半个满量程输入范围，且不会降低ADC的性能。

3.6 调制器

调制器为单环二阶系统，其时钟速度（fMOD）由外部时钟（fOSC）和SPEED位决定。

3.7 校准

ADS1240和ADS1241支持自校准和系统校准，可有效减少偏移和增益误差。校准应在电源开启、温度变化或PGA改变后进行。

3.8 外部电压参考

需要外部差分电压参考，参考电压范围根据AVDD和RANGE位的设置有所不同。

3.9 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，需要外部电容来确保时钟的启动和稳定。

3.10 数字滤波器

采用1279抽头线性相位有限脉冲响应（FIR）数字滤波器，可配置不同的输出数据速率。当使用2.4576MHz晶体时，可实现15Hz、7.5Hz或3.75Hz的数据输出速率，并同时抑制50Hz和60Hz的干扰。

3.11 数据I/O接口

ADS1240有四个引脚，ADS1241有八个引脚，可作为模拟输入和数据I/O使用。这些引脚的功能可通过IOCON、DIR和DIO寄存器进行配置。

3.12 串行外设接口（SPI）

采用标准的四线SPI接口，支持两种串行时钟极性。在通信时，CS引脚必须保持低电平，SCLK应保持干净以防止数据误移。

3.13 数据就绪（DRDY）引脚

DRDY信号用于指示数据是否准备好从内部数据寄存器读取。当DRDY为低电平时，表示有新的数据可用；读取完成后，DRDY信号恢复为高电平。

3.14 DSYNC操作

可通过DSYNC引脚或DSYNC命令实现同步。当DSYNC引脚为低电平时，数字电路复位；当DSYNC引脚变为高电平时，在系统时钟的下一个上升沿实现同步。

3.15 复位

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。

四、寄存器与控制命令

4.1 寄存器

ADS1240和ADS1241通过16个寄存器来配置设备的各种参数，包括设置寄存器（SETUP）、多路复用器控制寄存器（MUX）、模拟控制寄存器（ACR）等。

4.2 控制命令

通过一系列控制命令来控制设备的操作，如读取数据（RDATA）、连续读取数据（RDATAC）、停止连续读取（STOPC）、自校准（SELFCAL）等。

五、应用示例

5.1 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，使称重传感器的输出直接连接到ADS1240的差分输入。

5.2 高精度称重秤

在高精度称重秤应用中，可使用前端差分放大器来最大化动态范围。

六、总结与思考

ADS1240和ADS1241以其高精度、高分辨率、强大的抗干扰能力和丰富的功能特性，为电子工程师在高精度数据采集领域提供了优秀的解决方案。在实际应用中，我们需要根据具体的需求合理配置寄存器和控制命令，以充分发挥这两款转换器的性能。同时，对于一些关键参数，如增益设置、校准操作等，需要进行仔细的考虑和调整，以确保测量结果的准确性和可靠性。各位电子工程师在使用这两款转换器时，是否遇到过一些特殊的问题或挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。