探索ADS7870：低功耗数据采集系统的卓越之选

在电子设计领域，数据采集系统是连接模拟世界与数字世界的关键桥梁。今天，我们将深入了解德州仪器（Texas Instruments）的ADS7870，一款集多种功能于一身的12位、52 kSPS数据采集系统，看看它如何在众多应用场景中发挥重要作用。

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1. 产品概述

ADS7870是一款单芯片的低功耗数据采集系统，集成了4通道差分/8通道单端多路复用器、精密可编程增益放大器（PGA）、12位逐次逼近型模数（A/D）转换器以及精密电压基准。它提供了多种可编程功能，适用于便携式电池供电系统、低功耗仪器仪表、低功耗控制系统和智能传感器应用等场景。

2. 产品特性

2.1 可编程增益放大器（PGA）

PGA提供了1、2、4、5、8、10、16和20 V/V的增益选择，能够适应不同幅度的输入信号。其高输入阻抗、出色的增益精度、良好的共模抑制比和低噪声特性，使得在处理低电平信号时，无需在信号源和A/D输入之间添加外部放大或阻抗缓冲电路。此外，PGA的失调电压可以自动归零，即使低至125 mV的信号也能产生满量程的数字输出。

2.2 可编程输入配置

支持多达4通道差分或8通道单端输入，也可以是两者的组合，为不同的应用需求提供了灵活的选择。

2.3 内部参考电压

内部参考电压可配置为1.15 V、2.048 V或2.5 V，经过微调以实现高初始精度和温度稳定性，典型漂移为10 ppm/°C。在多个ADS7870共享公共参考的情况下，也可以使用外部参考。

2.4 串行接口

SPI/DSP兼容的串行接口（≤20 MHz），支持SPI、QSPI、Microwire和8051-family协议，无需额外的胶合逻辑。

2.5 高吞吐量

吞吐量速率达到52 kSamples/sec，能够满足高速数据采集的需求。

2.6 错误过载指示

提供错误过载指示器，方便用户及时发现和处理异常情况。

2.7 可编程输出格式

输出可以选择2s补码或二进制格式，以适应不同的系统需求。

2.8 宽电源电压范围

支持2.7 V至5.5 V的单电源操作，适用于各种电源环境。

2.9 4位数字I/O

通过串行接口提供4位数字输入/输出，方便与外部设备进行通信。

2.10 引脚兼容

与ADS7871引脚兼容，便于进行升级和替换。

2.11 封装形式

采用SSOP-28封装，节省电路板空间。

3. 电气特性

3.1 模拟输入特性

• 输入电压范围：在线性操作时，LNx输入的电压范围为 -0.2 V至VDD + 0.2 V。
• 输入电容：4至9.7 pF。
• 输入阻抗：共模输入阻抗为6 MΩ，差分输入阻抗为7 MΩ。
• 通道间串扰：在VI = 2 VPP、60 Hz的条件下，串扰为100 dB。
• 最大泄漏电流：100 pA。

3.2 静态精度

• 分辨率：12位。
• 无丢失码：在增益为1至20 V/V时，为12位。
• 积分线性度：在增益为1至20 V/V时，为 -2.5至±2 LSB。
• 差分线性度：在增益为1至20 V/V时，为±0.5 LSB。
• 失调误差：在增益为1至20 V/V时，为 -6至±1 LSB。
• 满量程增益误差：在不同增益和配置下，误差范围在 -0.4%至0.4% FSR之间。
• 直流共模抑制比（RTI）：在VI = -0.2 V至5.2 V、增益为20 V/V时，为92 dB。
• 电源抑制比（RTI）：在VDD = 5 V ± 10%、增益为20 V/V时，为86 dB。

3.3 动态特性

• 吞吐量速率：连续模式下单通道和地址模式下不同通道的吞吐量均为52 ksample/s。
• 外部时钟（CCLK）：范围为0.1至20 MHz。
• 内部振荡器频率：典型值为2.5 MHz。
• 串行接口时钟（SCLK）：最大为20 MHz。
• 数据建立时间和保持时间：均为10 ns。

3.4 数字输入和输出特性

• 数字输入逻辑电平：低电平输入电压VIL ≤ 0.8 V，高电平输入电压VIH根据VDD的不同而有所变化。
• 数字输出逻辑电平：低电平输出电压VOL在不同负载电流下有不同的值，高电平输出电压VOH在不同负载电流下也有不同的值。
• 泄漏电流：在高阻状态下，为1 µA。
• 输出电容：5 pF。

3.5 电压参考特性

• 带隙电压参考：可配置为1.15 V、2.048 V或2.5 V，输出误差在 -0.25%至0.25% FSR之间。
• 输出驱动：±0.6 µA。

3.6 参考缓冲器特性

• 输入电压：0.9 V至VDD - 0.2 V。
• 输入阻抗：1000 GΩ。
• 输入失调： -10至±1 mV。
• 输出电压精度与温度的关系：在VREF = 2.048 V和2.5 V时，误差在 -0.25%至0.25% FSR之间，温度系数为10至50 ppm/°C。
• 输出驱动：20 mA。

3.7 电源要求

• 电源电压：2.7至5.5 V。
• 电源电流：在不同采样率和工作模式下，电流范围从1 µA到1.7 mA不等。
• 功耗：在不同采样率和工作模式下，功耗范围从5 µW到8.5 mW不等。

3.8 温度范围

• 工作自由空气温度范围： -40°C至85°C。
• 存储温度范围： -65°C至150°C。
• 热阻：65°C/W。

4. 功能描述

4.1 多路复用器

ADS7870的8个模拟信号输入引脚（LN0至LN7）连接到一个模拟开关网络（多路复用器），可以配置为8个单端输入、4个差分输入或其他组合。输入信号的极性可以通过命令进行改变，而每个输入线必须保持在线性输入共模电压范围内。此外，输入引脚具有ESD保护电路，以防止静电损坏。

4.2 转换时钟

转换时钟（CCLK）及其派生信号被用于电压基准、PGA和A/D转换器。CCLK引脚可以作为输入或输出，通过OSC ENABLE引脚进行控制。内部参考需要连续的时钟信号，可以由内部振荡器独立提供。ADS7870采用了电源节省技术，根据需要开启和关闭PGA和A/D的偏置。串行接口时钟独立于转换时钟，可以更快或更慢地运行。

4.3 电压参考和缓冲放大器

ADS7870使用了一种专利的开关电容实现的带隙参考电路，具有曲率校正功能，可通过软件配置输出电压。内部参考输出（VREF）需要一个单独的缓冲放大器来提供负载电流。内部参考缓冲器可以快速充电滤波电容，但只能吸收较小的电流。

4.4 可编程增益放大器

PGA提供了多种增益选择，是一种单电源、轨到轨输入、自动归零、基于电容的仪表放大器。通过监测输出数据的最低有效位，可以检测PGA输出是否达到削波或非线性操作。此外，还可以通过读取寄存器2来确定转换过程中存在的故障条件。

4.5 A/D转换器

ADS7870的12位A/D转换器是逐次逼近型的，输出为2s补码格式，可以通过串行接口以MSB先或LSB先的方式读取。输入多路复用器可以配置为差分输入或单端输入，不同配置下的A/D转换函数有所不同。

4.6 转换周期

一个转换周期需要48个DCLK（DCLK = CCLK/DF），其中PGA操作需要36个DCLK，SAR转换器需要12个DCLK。在转换周期内，所选MUX输入的内部电容负载会在6 pF至9.7 pF之间变化。为了减少电源消耗，每个功能的偏置只在转换所需的时间内开启。

4.7 启动A/D转换周期

有四种方式可以启动ADS7870的转换：发送直接模式指令、向寄存器4或5写入CNV位为1、断言CONVERT引脚（逻辑高）。

4.8 串行接口

ADS7870通过数字串行端口接口与微处理器和其他外部电路进行通信，兼容多种流行的微控制器和数字信号处理器（DSP）。串行接口由四个主要引脚组成：SCLK（串行位时钟）、DOUT（串行数据输出）、DIN（串行数据输入）和CS（芯片选择）。

5. 应用场景

ADS7870的低功耗、高集成度和灵活的配置特性使其适用于多种应用场景，如便携式电池供电系统、低功耗仪器仪表、低功耗控制系统和智能传感器应用等。在这些应用中，ADS7870能够高效地采集和处理模拟信号，为系统提供准确的数字数据。

6. 总结

ADS7870是一款功能强大、性能卓越的低功耗数据采集系统，它集成了多种功能，提供了丰富的可编程选项，适用于各种复杂的应用场景。无论是在便携式设备还是工业控制领域，ADS7870都能发挥重要作用。作为电子工程师，我们在设计数据采集系统时，不妨考虑一下这款优秀的产品。你在实际应用中是否使用过类似的数据采集系统呢？遇到过哪些问题？欢迎在评论区分享你的经验和见解。