深入解析ADS1000：12位低功耗ADC的卓越之选-电子发烧友网

在电子设计领域，模拟到数字的转换是一个关键环节，而合适的模数转换器（ADC）能为设计带来事半功倍的效果。今天，我们就来深入探讨德州仪器（Texas Instruments）推出的ADS1000，一款具有 $I^{2}C^{TM}$ 接口的低功耗12位模数转换器。

文件下载：ads1000.pdf

产品概述

ADS1000采用小巧的SOT - 23封装，却集成了完整的12位数据采集系统。它具有低电流消耗的特点，仅需90μA，积分非线性误差最大为1LSB。其单周期转换功能搭配可编程增益放大器，增益可选1、2、4或8，数据速率达128SPS。此外，它拥有 $I^{2}C$ 接口，提供两个可用地址，电源范围为2.7V至5.5V，并且与16位的ADS1100引脚和软件兼容。这些特性使得ADS1000在电压监测、电池管理、工业过程控制、消费品和温度测量等领域都有广泛的应用。

关键特性剖析

低功耗与高性能

低电流消耗是ADS1000的一大亮点，这使得它在对功耗要求较高的应用场景中表现出色，例如便携式设备。同时，其12位的分辨率和低积分非线性误差能够保证测量的精度，为系统提供准确的数据。

可编程增益放大器

可编程增益放大器为用户提供了更多的灵活性。通过设置不同的增益值，可以适应不同幅度的输入信号，从而提高测量的分辨率和准确性。比如，对于较小的信号，可以选择较高的增益值进行放大，以便更精确地测量。

$I^{2}C$ 接口

$I^{2}C$ 接口是一种常用的串行通信接口，具有简单、方便的特点。ADS1000的 $I^{2}C$ 接口支持两个可用地址，这意味着在同一总线上可以连接多个ADS1000设备，增加了系统的扩展性。而且，它与标准、快速和高速模式的 $I^{2}C$ 控制器都能直接接口，兼容性良好。

工作原理详解

模数转换核心

ADS1000采用开关电容输入级，对于外部电路来说，它大致相当于一个电阻，其阻值取决于电容值和开关频率。开关时钟由板载时钟发生器产生，频率通常为275kHz，且受电源电压和温度的影响。不同的增益设置会影响电容值，进而影响输入阻抗。对于增益设置为PGA的情况，差分输入阻抗典型值为2.4MΩ/PGA，共模阻抗典型值为8MΩ。

输出代码计算

ADS1000以二进制补码格式输出代码，输出代码范围为 - 2048至2047，计算公式为 $Output Code =2048(PGA)\left(\frac{V{IN+}-V{IN^{-}}}{V_{DD}}\right)$。通过这个公式，我们可以根据输入电压和电源电压计算出对应的输出代码。

时钟发生器

板载时钟发生器是ADS1000的重要组成部分，其数据速率会随电源电压和温度发生变化。需要注意的是，ADS1000不能使用外部时钟，只能依靠内部时钟发生器工作。

工作模式

ADS1000有连续转换和单转换两种工作模式。在连续转换模式下，它会持续进行转换，转换完成后将结果存入输出寄存器，并立即开始下一次转换。此时，配置寄存器中的ST/BSY位始终为'1'。而在单转换模式下，ADS1000会等待转换寄存器中的ST/BSY位被设置为'1'，然后启动一次转换，转换完成后将结果存入输出寄存器，将ST/BSY位复位为'0'并进入低功耗状态。

寄存器配置

ADS1000有输出寄存器和配置寄存器两个可通过 $I^{2}C$ 端口访问的寄存器。

输出寄存器

16位的输出寄存器以二进制补码格式存储最后一次转换的结果，输出代码右对齐并进行符号扩展。复位或上电后，输出寄存器会清零，直到第一次转换完成。

配置寄存器

8位的配置寄存器用于控制ADS1000的工作模式和PGA设置，默认设置为80H。其中，位1和0控制增益设置，位7的ST/BSY位在不同工作模式下有不同的含义。在单转换模式下，写入'1'会启动转换；在连续转换模式下，写入的值会被忽略。读取时，ST/BSY位可以指示A/D转换器是否正在进行转换。

应用电路设计

基本连接

ADS1000的基本连接非常简单，其全差分电压输入适合连接到源阻抗适中的差分源，如桥式传感器和热敏电阻。在转换过程中，它会产生短时的电流尖峰，因此需要一个0.1μF的旁路电容来提供额外的电流。同时，由于 $I^{2}C$ 总线驱动是开漏的，SDA和SCL线上需要上拉电阻，电阻的大小要根据总线工作速度和总线电容来选择。