深入解析ADS1230：20位桥式传感器专用模数转换器

在电子工程领域，高精度的模数转换器（ADC）对于许多应用来说至关重要。今天我们要详细探讨的是德州仪器（TI）的ADS1230，一款专为桥式传感器设计的20位高精度ADC。

文件下载：ads1230.pdf

一、ADS1230概述

ADS1230是一款精密的20位ADC，集成了低噪声可编程增益放大器（PGA）、内部振荡器、三阶ΔΣ调制器和四阶数字滤波器。它为桥式传感器应用，如称重秤、应变计和压力传感器，提供了完整的前端解决方案。

二、关键特性

2.1 集成前端

ADS1230具备完整的桥式传感器前端，片上PGA增益可选64或128，能支持±39mV（G = 64）或±19.5mV（G = 128）的满量程差分输入。

2.2 低噪声性能

在不同数据速率和增益设置下，ADS1230展现出出色的噪声性能。例如，在10SPS、G = 128时，RMS噪声低至40nV；在80SPS、G = 128时，RMS噪声为88nV。它还能实现18位无噪声分辨率。

2.3 可选数据速率

支持10SPS和80SPS两种数据速率。10SPS数据速率下，可同时抑制50Hz和60Hz干扰，适用于对噪声和干扰敏感的应用；80SPS数据速率则满足对速度有要求的场景。

2.4 电压参考

支持最高5V的外部电压参考，可用于比例测量。

2.5 简单控制

所有功能通过专用引脚控制，无需编程数字寄存器，易于配置。

2.6 串行接口

采用简单的两线串行数字接口，可直接连接MSP430等微控制器。

2.7 封装与工作范围

采用小巧的16引脚TSSOP封装，工作温度范围为 -40°C至 +85°C，电源电压范围为2.7V至5.3V。

三、电气特性

3.1 模拟输入

可接受差分输入信号，也能测量单极性信号。当测量单极性信号时，将负输入（AINN）接地，正输入（AINP）连接输入信号，但此时仅使用转换器满量程范围的一半。

3.2 系统性能

• 分辨率：无丢失码，达到20位。
• 数据速率：由SPEED引脚设置，内部振荡器或4.9152MHz晶振时，SPEED为低时数据速率为10SPS，高时为80SPS；外部振荡器时，数据速率与时钟频率相关。
• 数字滤波器建立时间：全建立需要4次转换。
• 积分非线性（INL）：在不同增益下，INL指标优秀，如G = 64时为±10ppm，G = 128时为±6ppm。
• 输入失调误差和漂移：输入失调误差为±3ppm of FS，输入失调漂移为±10nV/°C。
• 增益误差和漂移：增益误差为±0.8%，增益漂移为±4ppm/°C。
• 共模和差模抑制：在特定条件下，共模抑制比和差模抑制比表现出色，如在DC、AVDD = 0.1V时，共模抑制比为110dB；内部振荡器、fIN = 50Hz或60Hz ±1Hz、fDATA = 10SPS时，差模抑制比为80 - 90dB。
• 电源抑制：在DC、AVDD = 0.1V时，电源抑制比为90 - 100dB。

3.3 电压参考输入

电压参考由REFP和REFN之间的电压差产生，VREF = REFP - REFN。参考输入使用类似模拟输入的结构，采用开关缓冲电路提高输入阻抗。

3.4 数字特性

逻辑电平、输入泄漏、外部时钟输入频率和串行时钟输入频率等都有明确的规格要求。例如，所有数字输入（除CLKIN）的高电平范围为0.7DVDD至DVDD + 0.1V，CLKIN的高电平范围为0.7DVDD至5.1V。

3.5 电源特性

电源电压范围为2.7V至5.3V，不同电源模式下的电流消耗不同。正常模式下，模拟电源电流在AVDD = 3V或5V时为900 - 1400μA，数字电源电流在DVDD = 3V时为60 - 100μA，DVDD = 5V时为95 - 140μA；待机模式和掉电模式下电流消耗极低。

四、引脚配置与功能

4.1 引脚配置

ADS1230采用TSSOP - 16封装，各引脚具有特定功能，如DVDD为数字电源，DGND为数字地，CLKIN为外部时钟输入，GAIN用于选择PGA增益，SPEED用于设置数据速率等。

4.2 引脚功能详解

• GAIN引脚：0选择增益64，1选择增益128。
• SPEED引脚：0对应10SPS数据速率，1对应80SPS数据速率。
• PDWN引脚：低电平使整个转换器掉电并复位ADC。
• SCLK引脚：上升沿输出数据，还用于启动失调校准和睡眠模式。
• DRDY/DOUT引脚：低电平表示数据就绪，在SCLK第一个上升沿开始输出转换数据，MSB优先。

五、噪声性能

ADS1230在不同电源电压和数据速率下的噪声性能通过表格详细给出。例如，在AVDD = 5V、VREF = 5V时，10SPS、G = 64的RMS噪声为53nV，峰 - 峰值噪声为290nV；80SPS、G = 64的RMS噪声为100nV，峰 - 峰值噪声为480nV。

六、典型特性

文档提供了多个典型特性图，包括噪声图、噪声直方图、失调与温度关系、增益误差与温度关系、噪声与输入信号关系、积分非线性与输入信号关系、模拟和数字电流与温度关系以及数据速率与温度关系等。这些特性图有助于工程师更好地了解ADS1230在不同条件下的性能表现。

七、工作原理与操作

7.1 模拟输入处理

输入信号通过AINP和AINN引脚输入，PGA对信号进行放大，其内部结构由两个斩波稳定放大器和三个精确匹配的电阻组成，输入配备EMI滤波器，可防止信号损坏输入电路。

7.2 旁路电容

通过在两个电容引脚之间连接0.1μF外部电容和内部2kΩ电阻，形成720Hz的低通滤波器，可防止混叠、滤除高频噪声并改善温度漂移性能。

7.3 电压参考输入

参考输入使用开关缓冲电路提高阻抗，参考漂移和噪声会影响ADC性能，需关注参考噪声和漂移规格。

7.4 时钟源

可使用外部时钟源或内部振荡器。CLKIN引脚频率高于~200kHz时，内部振荡器关闭；低于~200kHz时，内部振荡器激活。建议选择内部振荡器时将CLKIN引脚接地。

7.5 频率响应

采用sinc4数字滤波器，频率响应在调制器采样频率的倍数处重复。10SPS数据速率下， - 3dB截止频率为3.32Hz；80SPS数据速率下， - 3dB截止频率为11.64Hz。在10SPS数据速率下，可同时抑制50Hz和60Hz干扰。

7.6 建立时间

输入发生大变化时，需要四个数据转换周期建立。连续转换时，可能需要五个读数才能稳定数据。

7.7 数据格式

输出20位二进制补码数据，LSB权重为0.5VREF / (2^19 - 1)。不同输入信号对应特定的理想输出代码。

7.8 数据读取

等待DRDY/DOUT引脚变低后，通过施加SCLK信号读取数据，MSB优先。可选择读取20位或24位数据，但需在新数据更新前完成读取，否则数据将被覆盖。

7.9 失调校准

在读取20位数据和四位'1'后，施加至少两个额外的SCLK信号可启动失调校准。校准完成后，DRDY/DOUT引脚变低表示新数据就绪。

7.10 待机模式

将SCLK引脚保持高电平可进入待机模式，此时大部分电路关闭，仅时钟源电路工作。退出待机模式后，第一个数据有效。

7.11 带失调校准的待机模式

在进入待机模式时，移位25个SCLK信号并将SCLK引脚置高，唤醒后自动进行失调校准。校准后第一个数据可直接使用。

7.12 上电和掉电模式

上电时，AVDD和DVDD必须先上电，PDWN引脚再变高。可使用RC延迟电路控制PDWN引脚。掉电模式下，将PDWN引脚保持低电平，可关闭整个ADC电路，降低功耗并复位电路。

八、应用示例

以称重秤系统为例，ADS1230可配置为10SPS数据速率，PGA = 128。对于典型的2mV/V负载单元，在+5V激励电压下，最大输出信号约为10mV。通过相关公式计算，在软件滤波/平均的情况下，可获得95,058个无噪声计数。

九、总结

ADS1230凭借其高精度、低噪声、灵活的配置和简单的控制方式，成为桥式传感器应用的理想选择。无论是在工业过程控制、称重系统还是压力测量等领域，都能发挥出色的性能。电子工程师在设计相关系统时，可充分利用ADS1230的特性，实现高精度的数据采集和处理。在实际应用中，还需根据具体需求合理选择时钟源、数据速率、增益等参数，并注意引脚的正确连接和操作顺序，以确保系统的稳定性和可靠性。大家在使用ADS1230的过程中，有没有遇到过什么特别的问题或者有独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。