深入剖析ADS1174：高性能多通道ADC的卓越之选

在电子设计领域，模拟到数字的转换是一个关键环节，而ADC（模拟 - 数字转换器）的性能直接影响着整个系统的精度和稳定性。今天，我们就来详细探讨一下德州仪器（TI）推出的ADS1174和ADS1178这两款多通道、同步采样的16位ADC。

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产品概述

ADS1174为四通道转换器，而ADS1178则是八通道转换器，它们采用了先进的delta - sigma（ΔΣ）架构，数据速率最高可达52k样本每秒（SPS），能够实现四通道或八通道的同步采样。这两款产品采用相同的封装，并且与高性能的24位ADS1274和ADS1278兼容，方便进行升级。

突出特性

1. 高速与低功耗的完美平衡

• 高速模式：数据速率可达52kSPS，每通道功耗仅31mW，能够满足对数据采集速度要求较高的应用场景。
• 低功耗模式：在10kSPS的数据速率下，每通道功耗仅7mW，大大降低了系统的整体功耗，适用于对功耗敏感的应用。

2. 出色的AC和DC性能

• AC性能：具有25kHz的带宽，97dB的信噪比（SNR）和 - 105dB的总谐波失真（THD），能够有效减少信号失真，提高信号质量。
• DC性能：具备近乎理想的16位分辨率，积分非线性（INL）仅为±1LSB，偏移误差低至2mV，增益误差仅为0.5%，并且偏移漂移和增益漂移极小，确保了在不同环境条件下的高精度测量。

3. 灵活的操作模式和接口选择

• 操作模式：支持高速和低功耗两种操作模式，可根据实际应用需求进行灵活切换。
• 接口选择：提供SPI和Frame - Sync两种串行接口格式，方便与不同的微控制器或处理器进行连接。

4. 优秀的采样孔径匹配和相位响应

• 采样孔径匹配：各通道的采样时钟由同一CLK输入控制，有效控制了通道间的采样偏差，实现了出色的相位匹配。
• 相位响应：采用多级线性相位数字滤波器，具有恒定的群延迟，在分析多音信号时基本无相位误差。

电气特性详解

1. 模拟输入特性

• 输入电压范围：绝对输入电压范围为AGND - 0.1V至AVDD + 0.1V，差分输入电压范围为±VREF，能够适应不同的信号输入要求。
• 输入阻抗：高速模式下差分输入阻抗为28kΩ，低功耗模式下为140kΩ，不同模式下的输入阻抗差异可根据实际应用进行选择。

2. 时钟输入要求

• 时钟频率：最大时钟频率为27MHz，可通过CLKDIV输入进行分频控制。时钟频率的选择不影响分辨率和功耗，但会影响输出数据速率。
• 时钟质量：为确保最佳性能，建议使用高质量、低抖动的晶体时钟振荡器作为时钟源。

3. 电源供应要求

• 电源类型：包括AVDD（模拟电源）、DVDD（数字核心电源）和IOVDD（数字I/O电源）三种电源。
• 电源旁路：为达到额定性能，必须在电源引脚附近使用0.1μF和10μF的电容进行旁路，也可使用单个10μF的陶瓷电容替代。

引脚功能与应用

1. 引脚描述

ADS1174/78共有64个引脚，涵盖了模拟输入、数字输入输出、时钟输入、电源供应等多种功能。例如，AINP[8:1]为模拟输入引脚，CLK为时钟输入引脚，DRDY/FSYNC在不同协议下分别作为数据就绪输出或帧同步输入。

2. 应用注意事项

• 电源启动顺序：上电时，应先启动DVDD，然后是IOVDD，最后是AVDD，并确保电源的上升速率和顺序正确。
• 输入保护：为防止ESD损坏，当输入电压超出正常范围时，可使用外部肖特基钳位二极管或串联电阻来限制输入电流。

数据输出格式与接口协议

1. 数据输出格式

支持TDM（时分复用）和离散数据两种输出模式，并且TDM模式又分为固定位置和动态位置两种数据格式，可根据实际需求进行选择。

2. 接口协议

• SPI接口：一种简单的只读接口，数据通过DRDY信号指示就绪，并在SCLK的下降沿移出。
• Frame - Sync接口：类似于音频ADC常用的接口，需要用户提供FSYNC和SCLK信号，数据以MSB优先的方式输出。

应用案例与建议

1. 应用场景

ADS1174/78适用于多种应用场景，如三相功率监测、除颤器和心电图监测、科里奥利流量计以及振动/模态分析等。

2. 设计建议

• 电源设计：使用低噪声的电源，并进行适当的滤波和旁路处理，以减少电源噪声对ADC性能的影响。
• 布局设计：将模拟电路和数字电路分开布局，避免数字信号对模拟信号的干扰；同时，尽量缩短时钟和信号走线的长度，减少信号延迟和失真。
• 参考输入设计：使用高质量的参考电压源，并进行适当的滤波和缓冲，以确保参考电压的稳定性和低噪声。

总结

ADS1174和ADS1178以其高速、低功耗、高精度的特点，以及灵活的操作模式和接口选择，成为了多通道同步采样应用的理想选择。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择操作模式、接口协议和外部电路，以充分发挥这两款ADC的性能优势。你在使用类似ADC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。