多通道24位工业模数转换器的工作原理、性能特点与应用

1、 概述

ADS1274／ADS1278是德州仪器（TI）推出的多通道24位工业模数转换器（ADC），内部集成有多个独立的高阶斩波稳定调制器和FIR数字滤波器，可实现4／8通道同步采样，支持高速、高精度、低功耗、低速4种工作模式；ADS1274／ADS1278具有优良的AC和DC特性，采样率最高可以达128 Ks／s，62 kHz带宽时信噪比（SNR）可达111 dB，失调漂移为0.8μV／℃。

ADS1274／ADS1278可通过设置相应的输入／输出引脚选择工作模式，无需寄存器编程，其数据输出可选帧同步或SPI串行接口，便于连接至DSP、FPGA及微控制器。每个接口均支持菊花链，简化多通道计数系统中的多个ADS1274或ADS1278的回读功能（readback）。ADS1274工作温度范围为-40℃～+125℃，ADS1278则为-40℃～+105℃，可满足要求严格的多通道信号采集应用，包括振动分析、医疗监控、声学／动态应变测量及压力测量设备等。

2、 性能特点

传统的具有较高漂移性能的工业△-∑ADC采用导通带宽滑落幅度很大的数字滤波器，来得尽可能满足DC测量需求的有限信号带宽。针对音频应用的高分辨率ADC能够提供更大的可用带宽，但偏移与漂移规范远低于工业ADC。ADS1274／ADS1278将两种类型的转换器相结合，实现最佳DC与AC规范的高精度工业测量。具体特点如下：

允许4／8通道同步采样；

采样率最高可达128 Ks／s；

AC性能：工作在高精度模式下，输入信号带宽为62 kHz时，SNR为111 dB，总谐波失真（THD）为-108 dB；

DC性能：0.8μV／℃失调漂移，1.3 ppm／℃增益漂移；

4种可选工作模式：高速模式为128 Ks／s，信噪比106 dB；高精度模式为52 Ks／s，信噪比111 dB；低功耗模式为52 ks／s，31 mW／通道；而低速模式为10 ks／s，7 mW／通道；

片上线性相位数字滤波器；

SPI或帧同步串行接口；

低采样孔径误差；

调制器输出选择。

3、 引脚功能说明

ADS1274／1278均采用64引脚HTQFP封装，两者引脚兼容以便于扩展，引脚功能说明如表1所示。

4 、功能描述

4.1 工作原理

ADS1274／ADS1278是△-∑型模数转换器，其结构框图如图1所示，两者除内部所含模／数转换器（ADC）数目不同外，功能完全相同。它们主要由4／8个独立的ADC并行实现4／8通道输入信号的数字化，每个ADC由先进的6阶斩波、△-∑调制器，后接低纹波、线性相位的有限冲积响应（FIR）数字滤波器构成。调制器检测差分输入信号VIN=（AINP-AINN），并与差分参考电压VREF=（VREFP-VREFN）相比较得到一个1秒密度的位流输出，输出的位流经内部的数字滤波器滤波后得到一个低噪声的数字输出。

工作时调制器以高速采样输入信号（典型值输出数据率的64倍），调制器产生的量化噪声被移人高频带，由其内部的数字滤波器滤除，调制器的过采样倍率与工作模式有关，分别可取64（高速、低速、低功耗模式）或128（高精度模式），数字滤波器可对截止频率外的信号衰减达100 dB，使信号导通带宽在90％的奈奎斯特频率时，纹波低于0.005 dB。

4.2 工作模式设置

ADS1274／ADS1278允许在速度、精度、功耗方面权衡从4种工作模式中选择一种，各种工作模式下的性能如表2所示，而模式选择是由MODE［1：0］引脚的输入状态确定。

4.3 数据输出接口

ADS1274／ADS1278转换后的数据输出采用串行接口，可采用两种接口协议：SPI协议和帧同步协议，同时也可选择不同的数据输出格式，协议和数据输出格式的选择是由FORFMAT［2：0］引脚的输入状态确定。

对应SPI和帧同步接口协议，转换后的数据或通过独立的DOUT引脚以并行数据形式（离散模式）移位输出或通过一个共同的引脚DOUT1（TDM模式）移位输出。

在TDM数据输出模式中，多通道输出数据的位置有两种选择，即位置固定和位置动态分配。位置固定时，每个通道输出数据的位置严格按照顺序输出（即使某些通道掉电，也占有一个输出位置），动态分配时多通道输出数据的位置可根据通道使用情况随机调整，后续通道数据可占有前面掉电不用通道数据的位置，图2和图3描述了TDM模式时，固定位置和动态位置时的数据输出形式，表3列出接口协议、输出格式和数据位置关系。

5、 应用接口电路

5.1 基本差分输入信号接口电路

基本差分输入信号接口电路如图4所示，采用运算放大器OPA1632和RC构成的低通滤波器对输入信号进行调理，其中VCOM端可直接连接至ADC的VCOM引脚，也可通过OPA350缓冲输出，12 V电源可采用10μF和0.1μF的电容旁路，对于电容（2），当工作在低功耗模式时可选用2.7 nF的电容，在低速模式时则选用15 nF的电容。

5.2 ADS1724与TMS320的接口电路

图5给出了ASD1274与TMS320VC5509的接口电路，ADS1274与TMS320VC5509之间采用帧同步串行接口，CLKDIV接3.3 V，采样主时钟频率为27 MHz，四路模拟输入信号可采用图4所示的连接接入AINP和AINN。

6 、结束语

ADS1274／1278是基于△-∑技术的24位高性能工业模数转换器，内部集成有多个独立的高阶斩波稳定调制器和FIR数字滤波器，具有优良的AC和DC性能，可实现4／8通道同步采样，支持高速、高精度、低功耗、低速4种工作模式；数据输出可选帧同步或SPI串行接口，每个接口均支持菊花链连接，可应用于要求严格的多通道信号采集系统，如振动分析、医疗监控、动态应变测量设备等。

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