ADS1284 超高分辨率 4-kSPS 2 通道 ADC技术手册

该ADS1284是一款高性能、单芯片、模数转换器 （ADC）。该器件包括一个低噪声可编程增益放大器 （PGA）、三角积分 （ΔΣ） 调制器和数字滤波器。ADC支持两种工作模式，在功率和分辨率之间进行权衡。

双通道多路复用器具有用于信号测量和ADC信号测试的输入。一种模式可用于短路输入并测试内部噪声。PGA具有高输入阻抗和低噪声，可直接连接检波器和水听器传感器。
*附件：ads1284.pdf

四阶固有稳定的调制器提供出色的噪声和线性度性能。调制器输出由片内数字滤波器进行滤波和抽取，以产生ADC转换结果。

数字滤波器提供 250 至 4000 SPS 的数据速率。高通滤波器 （HPF） 具有可编程的转角频率。片内增益和失调刻度寄存器支持系统校准。

同步输入控制ADC转换的时序。掉电输入使ADC进入掉电模式。

该ADS1284采用紧凑的24引脚、5mm×4mm VQFN封装，额定温度范围为–40°C至+85°C，最大工作温度范围为–50°C至+125°C。

特性

• 可选作模式
• 低功耗模式：
  • 12 mW（PGA = 1、2、4 和 8）
  • 127 dB 信噪比（250 SPS，PGA = 1）
• 高分辨率模式：
  • 18 mW（PGA = 1、2、4 和 8）
  • 130 dB 信噪比（250 SPS，PGA = 1）
• 总谐失真：–122 分贝
• CMRR：110 分贝
• 双通道多路复用器
• 固有稳定的调制器
• 快速响应超量程检测器
• 灵活的数字滤波器：
  • Sinc + FIR + IIR（可选）
  • 线性或最小相位选项
  • 可编程高通滤波器
• 失调和增益校准
• SYNC 输入
• 模拟电源：5 V 或 ±2.5 V
• 数字电源：1.8 V 至 3.3 V

参数

方框图

ADS1284 是德州仪器推出的高分辨率模数转换器（ADC），核心优势为双工作模式、超低噪声与灵活滤波配置，集成可编程增益放大器（PGA）和高速数字信号处理功能，适用于能源勘探、地震监测、高精度仪器等对信号采集精度要求严苛的场景。

一、核心产品特性与参数

1. 分辨率与精度

• 分辨率达 31 位，总谐波失真（THD）低至 - 122 dB，无杂散动态范围（SFDR）123 dB，保证高保真信号转换。
• 漂移特性优异：增益漂移低至 2 ppm/°C（PGA=1），输入偏置电流仅 1 nA，长期稳定性突出。
• 噪声性能：高分辨率模式下输入参考噪声密度 5 nV/√Hz，250 SPS、PGA=1 时信噪比（SNR）达 130 dB，低功耗模式下 SNR 为 127 dB。

2. 通道与输入配置

• 支持 2 路差分输入，内置 2 通道多路复用器，可实现输入短路自检、共模测试等多种工作模式。
• 输入范围：±0.039 V~±2.5 V（随 PGA 增益可调），PGA 增益 1~64 可编程，输入阻抗最高 1 GΩ（关断斩波模式），适配地震检波器、水听器等低电平传感器。

3. 工作模式与采样速率

• 双工作模式：高分辨率模式功耗 18 mW（PGA=1），低功耗模式 12 mW（PGA=1），平衡性能与功耗需求。
• 采样速率：FIR 滤波模式下 250 SPS4000 SPS，Sinc 滤波模式下 8000 SPS128000 SPS，适配不同动态响应需求。

4. 电源与环境

• 电源配置：模拟电源支持 5 V 单电源或 ±2.5 V 双极性供电，数字电源 1.8 V~3.3 V，待机功耗低至 90 μW，电源抑制比（PSRR）达 115 dB。
• 工作温度范围 - 40°C +85°C（最大范围 - 50°C +125°C），采用 5mm×4mm 24 引脚 VQFN 封装，焊球材质 NIPDAU，符合 RoHS 标准，MSL 等级 3（260°C 峰值回流，168 小时存储）。

二、关键功能与优势

1. 灵活滤波系统

• 集成三级数字滤波器：5 阶 Sinc 滤波器、可编程 FIR 滤波器（线性 / 最小相位可选）和 1 阶 IIR 高通滤波器（HPF），高通截止频率 0.1 Hz~10 Hz 可调。
• FIR 滤波器支持同时抑制工频干扰，通带纹波 ±0.003 dB，_stop 带衰减 135 dB，兼顾信号完整性与抗干扰能力。

2. 校准与同步功能

• 支持偏移校准（OFSCAL）和增益校准（GANCAL），内置 24 位偏移（OFC）和满量程（FSC）校准寄存器，校准后增益误差低至 0.0002%。
• 具备 SYNC 同步输入与命令，支持脉冲同步和连续同步模式，可实现多器件精准协同采集，同步响应迅速。

3. 辅助功能

• 集成高速过范围检测器（MFLAG 引脚），可实时监测调制器过载状态，响应速度快。
• 支持内部偏移电压调节（75 mV/100 mV），有效抑制空闲音调，优化低电平信号测量精度。
• 串行接口支持 SPI 协议，具备自动超时复位功能，抗干扰能力强，可多器件共享总线。

三、典型应用场景

1. 核心应用领域

• 地震监测：连接地震检波器，高分辨率模式下精准采集微弱地震波信号，PGA 增益可调适配不同传感器灵敏度。
• 能源勘探：适配水听器、压力传感器等设备，双模式切换满足野外低功耗与实验室高精度采集需求。
• 高精度仪器：作为数据采集核心，用于质谱仪、光谱仪等设备，低噪声特性保证测量数据准确性。

2. 典型应用电路

• 地震检波器接口 ：采用 ±2.5 V 双极性供电，输入端配置差分滤波与共模滤波网络，REF5050 低噪声参考源提供稳定参考电压，PGA 增益设为 8~16 倍，采样速率 250 SPS，最大化弱信号采集精度。
• 多器件同步采集 ：通过 SYNC 引脚同步多片 ADS1284，共享 SCLK、DIN、DOUT 总线，独立 CS 引脚选通器件，实现多通道并行数据采集。

四、设计与使用建议

1. 电源与布局

• 模拟电源与数字电源需单独布线，AVDD/AVSS 引脚就近放置 0.1 μF 陶瓷去耦电容，BYPAS 引脚连接 1 μF 电容至 DGND，降低电源噪声。
• 模拟信号路径远离数字电路，参考源引脚（VREFP/VREFN）就近放置滤波电容，减少寄生参数影响。

2. 输入与校准

• 高阻抗传感器连接时，建议关断斩波模式以提升输入阻抗，避免信号衰减；低电平信号采集时启用斩波模式，抑制 1/f 噪声。
• 上电后建议执行校准流程：先短路输入执行偏移校准，再接入标准信号执行增益校准，校准后保存寄存器配置，提升系统精度。

3. 滤波与同步

• 工频干扰环境优先选择 FIR 滤波模式，线性相位配置适合多频信号分析，最小相位配置缩短响应时间。
• 多器件同步时，确保 SYNC 信号布线长度一致，连续同步模式下建议 SYNC 时钟周期为采样周期的整数倍，避免误同步。