深度剖析ADS1242和ADS1243：高精度ADC的卓越之选

在电子工程师的日常工作中，高精度模拟 - 数字转换器（ADC）的选择至关重要，它直接影响到系统的性能和精度。今天，我们就来深入探讨德州仪器（TI）的ADS1242和ADS1243这两款24位高精度ADC，看看它们在设计和应用中究竟有哪些独特之处。

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一、产品概述

ADS1242和ADS1243是德州仪器推出的高精度、宽动态范围的Δ - Σ型ADC，工作电压范围为2.7V至5.25V。它们具备24位无失码性能，有效分辨率高达21位，能够满足各种高精度测量的需求。

（一）主要特性

1. 高精度与高分辨率：24位无失码，有效分辨率可达21位（PGA = 1时），19位（PGA = 128时），积分非线性（INL）低至0.0015% FS，确保了测量的高精度。
2. 50Hz和60Hz同时抑制：能够实现 - 90dB的最小抑制，有效减少电源频率干扰，提高测量的稳定性。
3. 可编程增益放大器（PGA）：增益范围从1到128，可根据实际需求灵活调整，提高系统的动态范围。
4. 单周期稳定：数字滤波器能够在新通道选择后的第一个转换周期内提供有效数据，减少了等待时间。
5. 多种输入通道和数据I/O：ADS1242最多有4个通道，ADS1243最多有8个通道，并且这些通道还可作为数据I/O使用，增加了设计的灵活性。
6. 低功耗：功耗仅为600µW，适合便携式设备等对功耗要求较高的应用。

（二）应用领域

由于其高精度和多功能性，ADS1242和ADS1243广泛应用于工业过程控制、液体/气相色谱分析、血液分析、智能变送器、便携式仪器和称重秤等领域。

二、关键技术解析

（一）输入多路复用器

输入多路复用器允许用户在任何输入通道上选择任意组合的差分输入。ADS1243最多可支持7个单端输入通道或4个独立差分输入通道，ADS1242最多可支持3个单端输入通道或2个独立差分输入通道。同时，它采用单周期稳定数字滤波器，在新通道选择后能快速提供有效数据。为了减少稳定误差，建议在DRDY下降沿同步MUX更改。

（二）烧断电流源

烧断电流源可用于检测传感器的短路或开路情况。通过设置SETUP寄存器中的BOCS位，可激活两个2µA的电流源。当传感器开路时，正输入电流源使正输入接正模拟电源，负输入电流源使负输入接地，ADC输出满量程；当传感器短路时，ADC信号输出近似为零。

（三）输入缓冲器

在未启用缓冲器时，ADS1242/43的输入阻抗约为5MΩ/PGA。启用缓冲器后，输入阻抗可提高到约5GΩ，适用于对输入阻抗要求较高的系统。缓冲器的输入范围约为50mV至$V_{DD}-1.5V$，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，启用后会增加额外的电流消耗。

（四）可编程增益放大器（PGA）

PGA的增益可设置为1、2、4、8、16、32、64或128。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时可分辨到1µV；PGA为128且满量程信号为39mV时，可分辨到75nV。不过，当PGA设置高于4时，$V_{DD}$电流会增加。

（五）偏移DAC

偏移DAC（ODAC）寄存器可将PGA的输入偏移其满量程输入范围的一半。ODAC寄存器是一个8位值，MSB为符号位，7个LSB提供偏移量。使用偏移DAC不会降低ADC的性能，具体偏移量可根据RANGE位和OSET值计算。

（六）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（$f{OSC}$）和SETUP寄存器中的SPEED位决定。不同的SPEED位设置会影响调制器的时钟速度和数据输出速率。

（七）校准

ADS1242和ADS1243支持自校准和系统校准，可有效减少偏移和增益误差。自校准包括偏移和增益自校准（SELFCAL）、自偏移校准（SELFOCAL）和自增益校准（SELFGCAL）；系统校准包括系统偏移校准（SYSOCAL）和系统增益校准（SYSGCAL）。校准应在电源开启、温度变化或PGA改变后进行，校准期间应禁用ODAC，校准完成后DRDY信号会变低，第一个数据应丢弃。

（八）外部电压参考

这两款ADC需要外部电压参考，参考电压值通过ACR寄存器选择。外部电压参考是差分的，由$+V{REF}$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GND至$V{DD}$，但不同的$V{DD}$和RANGE设置对参考电压有不同的限制。

（九）时钟发生器

时钟源可以是晶体、振荡器或外部时钟。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，不能用作外部电路的时钟驱动。

（十）数字滤波器

ADS1242和ADS1243采用1279抽头线性相位有限脉冲响应（FIR）数字滤波器，可根据不同的晶体频率配置不同的数据输出速率。当使用2.4576MHz晶体时，可实现15Hz、7.5Hz或3.75Hz的数据输出速率，并能同时抑制50Hz和60Hz的干扰。如果需要不同的数据输出速率，可使用不同的晶体频率，但抑制频率会相应偏移。

（十一）数据I/O接口

ADS1242有4个引脚，ADS1243有8个引脚可同时作为模拟输入和数据I/O。这些引脚通过IOCON、DIR和DIO寄存器配置，可单独设置为模拟输入或数据I/O。IOCON寄存器定义引脚类型，DIR寄存器控制数据引脚方向，DIO寄存器控制输出状态。即使引脚配置为数据I/O，仍可进行A/D转换。

（十二）串行外设接口（SPI）

SPI接口允许控制器与ADS1242和ADS1243同步通信，它们工作在从机模式。SPI接口采用标准的四线制（CS、SCLK、$D{IN}$和$D{OUT}$），CS输入必须在通信前外部置低，通信期间保持低电平，CS可硬连线为低电平。SCLK用于时钟$D{IN}$和$D{OUT}$数据，应确保其干净以防止数据误移。$D{IN}$和$D{OUT}$用于接收和发送数据，$D_{OUT}$在不使用时为高阻抗。

（十三）数据准备（DRDY）引脚

DRDY线作为状态信号，当DOR寄存器中有新数据时变低，数据读取完成后变高。在输出寄存器更新前也会变高，以指示此时不应读取数据。DRDY的状态也可通过查询ACR寄存器的第7位获得，SPI接口可通过将CS输入置低工作在三线模式。

（十四）DSYNC操作

通过DSYNC命令可实现同步，发送该命令时，数字滤波器在DSYNC命令的最后一个SCLK边缘复位，调制器保持复位状态，直到检测到下一个SCLK边缘，同步在DSYNC命令后的第一个SCLK之后的系统时钟上升沿发生。

三、寄存器与控制命令

（一）寄存器

ADS1242和ADS1243共有16个寄存器，包括SETUP、MUX、ACR、ODAC等，每个寄存器都有特定的功能，用于配置ADC的各种参数，如增益、通道选择、数据格式、校准设置等。例如，SETUP寄存器用于设置PGA增益和烧断电流源；MUX寄存器用于选择输入通道；ACR寄存器用于设置数据格式、调制器时钟速度、缓冲器启用等。

（二）控制命令

通过一系列控制命令可实现对ADS1242和ADS1243的各种操作，如读取数据（RDATA、RDATAC）、停止连续读取（STOPC）、读写寄存器（RREG、WREG）、校准（SELFCAL、SELFOCAL、SELFGCAL、SYSOCAL、SYSGCAL）、睡眠和唤醒（SLEEP、WAKEUP）、同步（DSYNC）和复位（RESET）等。每个命令都有相应的操作码和数据传输序列。

四、应用示例

（一）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（根据称重传感器的最大输出电压而定），使称重传感器的输出直接连接到ADS1242的差分输入。

（二）高精度称重秤

对于高精度称重秤应用，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

ADS1242和ADS1243凭借其高精度、高分辨率、多功能性和低功耗等优点，成为了电子工程师在高精度测量应用中的理想选择。通过深入了解它们的特性、技术原理、寄存器配置和控制命令，我们可以更好地将其应用到实际项目中，发挥出它们的最大优势。在实际设计过程中，工程师们还需要根据具体的应用需求和系统要求，合理选择参数和配置，以确保系统的性能和稳定性。你在使用ADS1242和ADS1243的过程中遇到过哪些问题呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。