ADS1291 生物电位测量模拟前端芯片技术文档总结

ADS1291、ADS1292和ADS1292R是多通道、同时采样、24位δσ模数转换器（ADC），内置可编程增益放大器（PGA）、内部参考和板载振荡器。

ADS1291、ADS1292和ADS1292R包含了便携式低功耗医疗心电图（ECG）、运动和健身应用中常见的所有功能。
*附件：ads1291.pdf

凭借高度集成和卓越的性能，ADS1291、ADS1292和ADS1292R使得以显著降低体积、功耗和整体成本，创建可扩展的医疗仪器系统。

ADS1291、ADS1292和ADS1292R每个通道都有一个灵活的输入多路复用器，可以独立连接到内部生成的信号，用于测试、温度和引出检测。此外，输入通道的任何配置都可以选择用于推导右脚驱动（RLD）输出信号。ADS1291、ADS1292和ADS1292R的数据速率最高可达8千每秒。引线检测可以在器件内部实现，使用器件内部的激励电流汇或电源。ADS1292R版本包含完全集成的呼吸阻抗测量功能。

这些设备分别包装为5毫米×5毫米、32针薄四边扁平封装（TQFP）和4毫米×4毫米、32针无引脚的四边扁平封装（VQFN）。工作温度规定为–40°C至+85°C。

特性

• 两台低噪声PGA和两台高分辨率ADC
  （ADS1292和ADS1292R）
• 低功率：335 μW/通道
• 输入参考噪声：8 μVPP
  （150 Hz BW，G = 6）
• 输入偏置电流：200 pA
• 数据速率：125 SPS 至 8 kSPS
• CMRR：120分贝
• 可编程增益：1、2、3、4、6、8或12
• 电源：单极或双极
  • 模拟电压：2.7 V 至 5.25 V
  • 数字：1.7 V 至 3.6 V
• 内置右脚驱动放大器，引线检测，测试信号
• 集成呼吸阻抗测量（ADS1292R）
• 内置振荡器和参考
• 灵活关机、待机模式
• 兼容 SPI™ 的串行接口
• 工作温度范围：–40°C至+85°C

参数

方框图

ADS1291/ADS1292/ADS1292R 是德州仪器（TI）推出的低功耗、高分辨率多通道模拟前端芯片，专为生物电位测量设计，核心适配高精度心电图（ECG）、呼吸监测等医疗及运动健康设备，凭借 24 位高分辨率、低噪声及丰富集成功能，可满足高精准度生物信号采集需求。

一、芯片基础信息与核心特性

1. 基础规格

• 型号与定位 ：ADS1291（1 通道）、ADS1292（2 通道）、ADS1292R（2 通道，含呼吸阻抗测量功能），同属 24 位 ΔΣ ADC 家族，文档编号 SBAS502C，初始发布于 2011 年 12 月，2020 年 4 月修订。
• 供电与温度 ：模拟电源 2.7V-5.25V，数字电源 1.7V-3.6V；工作温度 - 40°C 至 + 85°C（工业级），存储温度 - 60°C 至 + 150°C。
• 封装形式 ：32 引脚 TQFP 封装（5mm×5mm）和 VQFN 封装（4mm×4mm），VQFN 封装热阻更低，适配不同 PCB 布局需求。

2. 核心性能指标

• 分辨率与数据率 ：24 位 ADC 分辨率，数据率可在 125 SPS（低功耗）至 8 kSPS（高速采样）间调节，兼顾精度与实时性。
• 噪声与增益 ：输入参考噪声低至 8 μVPP（150Hz 带宽、增益 G=6 时），支持 1、2、3、4、6、8、12 七档可编程增益，适配微弱生物电位信号采集。
• 功耗与抗干扰 ：每通道功耗 335 μW，共模抑制比（CMRR）最高 120 dB，电源抑制比（PSRR）优异，有效抵抗电源噪声与共模干扰。
• 集成功能 ：内置右腿驱动（RLD）放大器、导联脱落检测、温度传感器、振荡器及基准源（2.42V/4.033V 可选），ADS1292R 额外集成呼吸阻抗测量电路，减少外部元器件数量。

二、关键功能模块与工作原理

1. 信号采集与处理链

• EMI 滤波 ：输入端集成 RC 滤波器，-3dB 带宽约 3MHz，有效抑制电磁干扰（EMI）对信号的影响。
• 可编程增益放大器（PGA） ：差分输入 / 输出结构，内部电阻网络实现多档增益，输出端需外接 4.7nF 滤波电容（ADS1292R 呼吸功能启用时为 47nF），形成抗混叠滤波器，-3dB 带宽约 8.4kHz。
• ΔΣ 调制器与数字滤波 ：每通道配备二阶 ΔΣ 调制器，固定采样率 f_MOD=128kHz；数字抽取滤波器为三阶 sinc 滤波器，通过调节抽取比控制数据率，同时提供抗混叠功能，滤波器需 3 个数据周期（t_DR）完成稳定。

2. 生物电位测量专用功能

• 导联脱落检测 ：支持直流（DC）和交流（AC）两种模式：
  • DC 模式：通过内部电流源 / 漏（6nA、22nA、6μA、22μA 可选）或外部拉电阻监测电极连接，比较器阈值可通过寄存器配置（70%-95% 参考电压范围）。
  • AC 模式：注入 f_DR/4 频率的带外信号，通过测量输出信号幅度判断电极状态，可与 ECG 信号采集同步进行，不影响主信号测量。
• 右腿驱动（RLD） ：通过负反馈抑制共模干扰，可选择内部（(AVDD+AVSS)/2）或外部参考电压，支持多通道信号参与 RLD 信号生成，放大器可通过寄存器开启 / 关闭，适配多设备级联场景。
• 呼吸监测（ADS1292R 专属） ：支持内部 / 外部时钟驱动的呼吸阻抗测量，调制频率 32kHz/64kHz 可选，阻抗测量范围 2kΩ-10kΩ，噪声低至 40mΩPP，可同步采集 ECG 与呼吸信号。
• 测试与校准 ：内置测试信号（直流或 1Hz 方波，幅度 ±1mV），支持通道偏移校准，可验证信号链完整性。

3. 输入与参考配置

• 输入模式 ：支持差分和单端驱动，差分输入范围 ±V_REF/Gain，推荐差分模式以提升抗干扰能力；输入多路选择器（MUX）可切换电极信号、测试信号、温度传感器信号、电源电压等，灵活实现诊断与校准。
• 基准源 ：内置 2.42V（3V 供电）或 4.033V（5V 供电）基准源，输出电流 100μA，也可外接低噪声基准（如 REF5025）；基准源启动时间 100ms（带 10μF 电容时），需合理配置以保证稳定性。

三、接口与控制方式

1. SPI 串行接口

• 通信信号 ：包含 CS（片选）、SCLK（时钟）、DIN（数据输入）、DOUT（数据输出），支持 CPOL=0、CPHA=1 模式，数据以 24 位二进制补码格式输出（MSB 优先）。
• 命令与寄存器 ：支持唤醒、待机、复位、启动 / 停止转换等系统命令，以及寄存器读写（RREG/WREG）、连续读数据（RDATAC）等操作；寄存器共 12 个（地址 00h-0Bh），涵盖全局配置、通道配置、导联脱落检测、呼吸功能配置等。
• 数据读取 ：DRDY 引脚低电平表示数据就绪，可通过 RDATAC（连续读）或 RDATA（单次读）命令获取数据，多通道数据含 24 位状态位，支持多设备级联扩展。

2. 多设备配置

• 级联与同步 ：多芯片可共享 DIN、DOUT、SCLK，通过独立 CS 引脚选择设备，通道数量可扩展；通过 START 引脚实现多设备同步采样，时钟可选择内部（512kHz，精度 ±1.5% 温度范围）或外部（512kHz/2.048MHz），主设备可输出时钟供从设备使用。

四、应用场景与设计建议

1. 典型应用

• 医疗仪器 ：患者监护仪、动态心电图（Holter）、除颤器（AED）、远程医疗终端等 ECG 相关设备。
• 运动健康 ：心率监测手环、胸带、健身设备中的呼吸与 ECG 采集模块，ADS1292R 适配需同步监测呼吸的场景。
• 高精准数据采集 ：高精度多通道生物电位数据采集系统、科研级生物信号监测设备。

2. 设计注意事项

• 电源与接地 ：严格区分模拟地（AVSS）和数字地（DGND），避免数字噪声串扰；每个电源引脚需并接 10μF 和 0.1μF 去耦电容，且靠近芯片放置。
• PCB 布局 ：模拟输入引脚（IN1P/IN1N 等）为高阻抗节点，需缩短走线、减少寄生电容，避免与数字信号平行布线；VQFN 封装的热焊盘需焊接至 PCB 接地平面，提升散热性能。
• ESD 防护 ：芯片 ESD 额定值为人体放电模型（HBM）±1000V、带电器件模型（CDM）±500V，需在 PCB 设计中加入 ESD 防护元件，避免操作损坏。