深入解析ADS1258：高性能24位ADC的卓越之选

在电子设计领域，高精度模拟到数字的转换至关重要，它直接影响着系统的性能和可靠性。德州仪器（TI）的ADS1258作为一款16通道、24位的模数转换器（ADC），凭借其出色的性能和丰富的特性，在众多应用场景中展现出强大的竞争力。今天，我们就来深入探讨一下ADS1258的各项特性、工作原理以及实际应用中的注意事项。

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一、ADS1258的特性亮点

1. 高精度与高分辨率

ADS1258拥有24位的分辨率，且无丢码现象，能够提供极其精确的数字输出。其积分非线性仅为0.0003%，直流稳定性也非常出色，典型的失调漂移为0.02μV/°C，增益漂移为0.4ppm/°C，确保了在不同环境温度下的测量精度。

2. 灵活的输入配置

该转换器支持16个单端输入或8个差分输入，可根据实际需求灵活选择输入方式。同时，它支持单极性（+5V）或双极性（±2.5V）操作，能适应各种不同的信号类型。

3. 低噪声与高速度

在1.8kSPS的数据速率下，ADS1258的噪声低至(2.8 \mu V_{RMS})，有效降低了测量误差。它还提供了固定通道和自动通道扫描两种模式，固定通道数据速率可达125kSPS，自动扫描数据速率为23.7kSPS/通道，满足了不同应用场景下对速度的要求。

4. 丰富的功能特性

ADS1258具备开传感器检测功能，可及时发现传感器故障；转换控制引脚方便用户对转换过程进行精确控制；多路复用器输出可用于外部信号调理，增强了系统的灵活性。此外，它还支持片上温度、参考、失调、增益和电源电压回读，方便用户对系统进行监测和校准。

5. 低功耗与多种工作模式

该转换器的功耗仅为42mW，并支持待机、睡眠和掉电模式，有效降低了系统的功耗。在不同的工作模式下，用户可以根据实际需求灵活调整功耗，延长设备的续航时间。

6. 通用输入输出接口

ADS1258提供了8个通用输入输出（GPIO）引脚，可用于连接外部设备，实现数据的输入和输出控制，进一步增强了系统的扩展性。

7. 灵活的时钟源

它可以使用32.768kHz的晶体振荡器或外部时钟作为时钟源，满足了不同应用场景下对时钟的要求。同时，内部的PLL可以将时钟输出用于驱动其他设备或控制器。

二、工作原理剖析

1. 输入多路复用器

ADS1258的输入多路复用器可以选择连接到16个单端输入、8个差分输入或片上内部变量。其输出可以路由到外部引脚进行信号调理，也可以直接内部连接到ADC输入。在使用时，需要注意输入电压的范围，确保不超过AVSS - 100mV至AVDD + 100mV，以避免ESD二极管导通影响测量结果。

2. 电压参考输入

电压参考输入（VREFP和VREFN）决定了ADC的参考电压(V_{REF})。为了保证系统性能，需要使用高质量的参考电压，并注意参考引脚的电压范围，同样要避免ESD二极管导通。参考输入的负载可以用一个40kΩ的有效电阻来建模，因此在选择外部参考源时需要考虑其源阻抗。

3. ADC输入

ADC输入（ADCINP和ADCINN）通过内部电容对输入信号进行采样和转换。采样过程分为充电和放电两个阶段，重复周期为(t{SAMPLE}=2 / f{CLK})。在这个过程中，输入电容会从驱动源吸取瞬态电流，其平均电流可以用来计算有效阻抗，且该阻抗与(CLK)成反比。

4. 主时钟

ADS1258需要一个高频主时钟来进行过采样。时钟源可以选择内部振荡器（搭配外部晶体）或外部时钟。CLKSEL引脚决定了系统时钟的来源，CLKIO引脚可以作为输入或输出使用。当使用外部晶体振荡器时，需要连接一个22nF的PLL滤波电容到AVSS引脚，并将CLKENB位设置为使能时钟输出。

5. 数字滤波器

数字滤波器由一个固定的五阶sinc滤波器和一个可编程的平均器组成。数据从模拟调制器以(f{CLK} / 2)的速率输入到滤波器，固定滤波器的抽取值为64，输出数据速率为(f{CLK} / 128)。可编程平均器的平均次数由DRATE[1:0]位设置，通过调整滤波量，可以在分辨率和数据速率之间进行权衡。

6. 调制器

调制器将模拟输入电压转换为脉冲编码调制（PCM）数据流。当差分模拟输入接近参考电压时，PCM数据流中“1”的密度最高；当输入接近零时，“0”和“1”的密度几乎相等。四阶调制器将量化噪声转移到高频区域，便于数字滤波器进行去除。同时，调制器会持续对输入进行斩波，提高了失调和失调漂移性能，但对于外部电路产生的失调或失调漂移，需要使用外部斩波功能来消除。

7. 数据速率计算

数据速率取决于系统时钟频率(f_{CLK})和转换器配置，可以通过特定的公式进行计算。在自动扫描模式和固定通道模式下，数据速率的计算公式有所不同，具体可参考文档中的相关公式。

三、实际应用中的注意事项

1. 硬件设计

• 电源供应：ADS1258可以接受单+5V电源或双极性电源（通常为AVDD = +2.5V，AVSS = -2.5V），数字电源（DVDD）范围为2.7V至5.25V。为了减少电源噪声，建议在靠近器件引脚处使用10μF钽电容和0.1μF陶瓷电容进行旁路，或者使用单个10μF陶瓷电容。同时，电源应避免与产生电压尖峰的设备共享。
• 模拟输入：16通道模拟输入多路复用器提供了多种输入配置选项，但输入信号的绝对电压不能超过模拟电源轨±100mV。对于超过电源轨的输入信号，需要进行分压处理。在固定通道模式下，可以任意选择正输入和负输入通道。
• 输入过载保护：为了防止多路复用器输入过载影响其他通道的转换，建议使用外部肖特基二极管钳位和串联电阻进行保护。
• ADC输入：在ADS1258的外部多路复用器环路中，可以加入信号调理电路，如放大器，以提供增益、缓冲和滤波功能。为了获得最佳性能，建议使用差分输入驱动ADC。同时，要注意电源供应顺序和潜在的过压故障情况，可以使用保护电阻和外部钳位二极管进行保护。
• 参考输入：参考输入应使用低阻抗源驱动，并在参考引脚之间直接连接10μF钽电容和0.1μF陶瓷电容。当退出睡眠模式时，要确保参考驱动器的瞬态响应足够快，或者丢弃前几个读数。
• 时钟源：内部振荡器使用PLL电路和外部32.768kHz晶体生成15.7MHz主时钟，需要在PLLCAP引脚和AVSS之间连接22nF电容。晶体和负载电容应尽量靠近引脚放置，避免与其他交流组件的走线靠近。外部时钟源的频率最高可达16MHz，为了获得最佳性能，SPI接口控制器和转换器的时钟应在同一域内。
• 数字输入输出：建议在器件的数字输入输出端使用50Ω（典型值）的串联电阻进行源端匹配，以减少数字线路上的振铃和过冲。
• 硬件引脚：START、DRDY、RESET和PWDN引脚可以直接控制ADS1258，也可以通过SPI接口使用相应的命令进行控制。PWDN引脚可将ADC置于低功耗状态。
• SPI接口：ADS1258的SPI接口由CS、SCLK、DIN和DOUT四个信号组成。当CS为高电平时，DIN输入被忽略，DOUT输出呈高阻态。SPI接口可以在不使用CS的情况下进行最小配置（将CS接地）。
• GPIO：ADS1258的8个GPIO引脚可通过寄存器设置进行输入输出配置。如果不使用这些引脚，应将其拉高或拉低，避免浮空。
• QFN封装：对于QFN封装的ADS1258，其暴露的散热焊盘应与AVSS电气连接，具体的PCB布局建议可参考应用笔记SLUA271。

2. 配置与通信

• 配置寄存器：通过SPI接口对ADS1258的配置寄存器进行设置，包括输入模式、数据速率、斩波功能等。在配置过程中，需要注意寄存器的默认值和各个位的功能。
• 通信协议：ADS1258通过SPI接口进行通信，支持多种命令，如通道数据读取、寄存器读写、脉冲转换、复位等。在读取数据时，可以选择直接读取或寄存器格式读取，需要注意与DRDY信号的同步，避免数据丢失。

3. 应用案例

• 医疗设备：ADS1258的高精度和低噪声特性使其非常适合用于医疗设备中的信号采集，如心电图（ECG）、脑电图（EEG）等监测设备，能够准确地采集人体生物电信号。
• 航空电子：在航空电子领域，对数据的准确性和可靠性要求极高。ADS1258的高分辨率和稳定性可以满足航空电子系统中对传感器数据采集的需求，如飞行参数监测、导航系统等。
• 工业系统：在工业控制系统中，ADS1258可用于多通道仪器仪表的快速扫描，如温度、压力、流量等参数的测量。其灵活的输入配置和自动扫描功能可以提高系统的效率和可靠性。
• 测试与测量系统：对于需要高精度测量的测试与测量系统，ADS1258是一个理想的选择。它可以对各种信号进行精确测量，并提供实时的数据输出。

四、总结

ADS1258作为一款高性能的24位模数转换器，具有高精度、低噪声、灵活配置等诸多优点。在实际应用中，通过合理的硬件设计、正确的配置和通信方式，可以充分发挥其性能优势，满足各种不同应用场景的需求。希望本文对电子工程师们在使用ADS1258进行设计时有所帮助。你在使用ADS1258的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区留言讨论。