深入解析ADS1286：12位微功耗模数转换器的卓越之选

引言

在当今的电子设计领域，模数转换器（ADC）扮演着至关重要的角色，它是模拟世界与数字世界之间的桥梁。今天，我们要深入探讨的是Burr - Brown Corporation推出的ADS1286，一款12位、20kHz的模数转换器，它以其独特的特性和广泛的应用场景，成为了众多工程师的首选。

文件下载：ads1286.pdf

产品概述

关键特性

• 高精度转换：ADS1286具备12位分辨率，保证无丢失码，能够实现精确的模拟信号到数字信号的转换。
• 低功耗运行：仅消耗250µA的电源电流，结合自动关机功能，在不同采样率下都能保持极低的功耗，非常适合电池供电系统。
• 高速采样：支持20kHz的采样率，可满足大多数应用场景对数据采集速度的要求。
• 灵活的接口：提供SPI和SSI兼容的串行接口，通过两线或三线接口实现与微处理器和其他数字系统的通信，方便系统集成。

应用场景

• 远程数据采集：由于其低功耗和串行接口的特性，ADS1286非常适合远程数据采集应用，减少了布线和功耗的问题。
• 隔离数据采集：在需要隔离的应用中，ADS1286能够可靠地工作，确保数据的准确采集。
• 传感器接口：可作为传感器与数字系统之间的接口，实现传感器信号的数字化处理。
• 电池供电系统：低功耗特性使其成为电池供电系统的理想选择，延长了系统的续航时间。

详细规格分析

电气参数

在特定的工作条件下（$T{A}=T{MIN }$ 到 $T{MAX }$，$+V{CC}=+5V$，$V{REF }=+5 ~V$，$f{SAMPLE }=12.5 kHz$，$f{CLK}=16 cdot f{SAMPLE}$），ADS1286的各项电气参数表现出色。例如，模拟输入的满量程输入范围为 $0 - V_{REF}$，绝对输入电压电容为25pF，泄漏电流极小。系统性能方面，分辨率达到12位，积分线性度和差分线性度误差小，偏移误差和增益误差也在可接受范围内，噪声低至50µVrms，电源抑制比高达82dB。

采样动态特性

转换时间为1.5个时钟周期，采集时间为500个时钟周期，小信号带宽为12kHz，这些参数确保了ADS1286能够快速、准确地采集和转换模拟信号。

参考输入和数字输入/输出

参考输入范围为1.25 - 2.5V，输入电阻高达5000MΩ，电流消耗极低。数字输入/输出采用CMOS逻辑家族，逻辑电平符合标准，数据格式为直二进制，方便与其他数字系统进行接口。

电源要求和温度范围

电源电压范围为 +4.50 - +5.25V，静态电流为200 - 250µA，在不同的工作模式下能够灵活调整功耗。温度范围方面，不同型号的ADS1286适用于不同的温度区间，如ADS1286、K、L适用于0 - +70℃，而ADS1286A、B、C适用于 - 40 - +85℃。

引脚配置与封装信息

引脚功能

ADS1286采用8引脚封装，各引脚功能明确。VREF为参考输入引脚，+In和 - In为差分输入引脚，GND为接地引脚，CS/SHDN用于芯片选择和关机控制，DoUT为串行输出数据引脚，DCLOCK为数据时钟引脚，+Vcc为电源引脚。

封装形式

提供8引脚塑料迷你DIP和8引脚SOIC两种封装形式，满足不同的应用需求和PCB布局要求。同时，不同型号的ADS1286在积分线性度、温度范围和封装上有多种组合可供选择，方便工程师根据具体项目进行选型。

性能曲线与时序特性

典型性能曲线

在典型工作条件下（$T{A}=+25$，$v{CC}=+5v{i}$，$V{REF}=+5 ~V$，$f{SAMPLE }=12.5 kHz$，$f{CLK }=16 cdot f_{SAMPLE }$），ADS1286的各项性能曲线展示了其在不同参数下的性能表现。例如，积分线性误差与代码的关系曲线、数字输入阈值电压与电源电压的关系曲线等，这些曲线为工程师在设计过程中进行参数优化提供了重要参考。

时序特性

详细的时序图和测试电路说明了ADS1286的工作时序，包括模拟输入采样时间、转换时间、数据输出延迟时间等。了解这些时序特性对于确保ADS1286与其他系统组件的同步工作至关重要。

接口与操作模式

串行接口

ADS1286通过同步3线串行接口与微处理器和其他外部数字系统进行通信。DCLOCK同步数据传输，每个数据位在DCLOCK的下降沿传输，在接收系统的上升沿捕获。$overline{CS}$ 引脚的下降沿启动数据传输，经过一个空比特后，A/D转换结果在 $D_{OUT }$ 线上输出。

微功耗操作

ADS1286的典型工作电流为250µA，并且在转换之间自动关机，实现了在宽采样率范围内的极低功耗。自动关机功能使得电源电流随采样率下降，进一步降低了系统功耗。

关机模式

当 $overline{CS}$ 引脚为高电平时，ADS1286进入完全关机状态，偏置电路和比较器断电，参考输入变为高阻抗节点，而DCLOCK继续运行以输出LSB优先的数据或零。为了获得最低的电源电流，应确保 $overline{CS}$ 引脚在低电平时接地，在高电平时接电源电压。

降低功耗策略

在转换间隔较长的系统中，通过最小化 $overline{CS}$ 引脚的低电平时间，可以实现最低的功耗。转换完成后，即使 $overline{CS}$ 引脚保持低电平，A/D也会自动关机。如果时钟继续运行以输出LSB数据或零，逻辑电路会消耗少量电流。

输入滤波与参考电压操作

RC输入滤波

可以使用RC网络对输入信号进行滤波，选择小电阻和大电容的滤波器可以防止电阻上的直流压降。直流电流的大小与输入电压成正比，在最小周期时间为64µs、$V_{IN}=5 ~V$ 时，输入电流为1.56µA。如果需要使用较大的滤波电阻，可以通过增加周期时间来消除误差。

降低参考电压操作

通过降低转换器的输入跨度，可以提高ADS1286的有效分辨率。然而，在低 $V_{REF}$ 值下操作时，需要考虑偏移和噪声的影响。偏移在低参考电压下对输出代码的影响更大，可以通过数字校正或偏移负输入来解决。噪声在低参考电压下也会成为LSB的较大部分，可能导致输出代码抖动，此时可能需要对多次读数进行平均处理。

应用案例

热电偶应用

在热电偶应用中，可以使用多路复用器来缩放ADS1286的输入范围，实现对不同温度范围的精确测量。

RTD传感器应用

ADS1286与RTD传感器配合使用，能够将传感器的电阻变化转换为数字信号，实现温度的准确测量。

总结

ADS1286作为一款高性能的12位微功耗模数转换器，凭借其高精度、低功耗、灵活的接口和广泛的应用场景，在电子设计领域具有重要的地位。工程师在使用ADS1286时，需要充分了解其规格参数、时序特性、接口操作和功耗管理等方面的知识，以实现最佳的设计效果。同时，通过合理的输入滤波和参考电压操作，可以进一步提高系统的性能和稳定性。你在使用ADS1286的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。