深度剖析ADS1255/6：24位高精度ADC的卓越之选

在电子设计领域，高精度模拟 - 数字转换器（ADC）是实现精确测量和数据采集的关键组件。ADS1255和ADS1256作为德州仪器（TI）推出的极低噪声、24位ADC，为众多对精度要求极高的应用提供了完整的高分辨率测量解决方案。今天，我们就来深入剖析这两款优秀的ADC。

文件下载：ads1255.pdf

一、产品概述

ADS1255和ADS1256在性能上极为相似，主要区别在于输入通道数量和通用数字I/O引脚数量。ADS1255支持一个差分或两个单端输入，有两个通用数字I/O引脚；而ADS1256支持四个差分或八个单端输入，拥有四个通用数字I/O引脚。在后续内容中，我们将它们统称为ADS1255/6。

（一）关键特性

1. 高精度：24位无失码，最高可达23位无噪声分辨率，非线性误差最大仅±0.0010%，为高精度测量提供了坚实保障。
2. 高速转换：数据输出速率最高可达30kSPS，还具备快速通道切换功能，在1.45kHz时可实现18.6位无噪声（21.3有效位）的转换。
3. 灵活输入：拥有灵活的输入多路复用器，可进行传感器检测。ADS1256更是提供了四个差分输入和八个单端输入选项。
4. 低噪声设计：采用斩波稳定输入缓冲器和低噪声PGA，输入参考噪声低至27nV。
5. 校准功能：支持所有PGA设置下的自校准和系统校准，有效减少误差。
6. 接口兼容：具备5V容忍的SPI™兼容串行接口，方便与各种微控制器连接。
7. 低功耗：正常模式下功耗低至38mW，待机模式仅0.4mW，满足低功耗应用需求。

（二）内部结构

ADS1255/6由一个四阶Delta - Sigma（ΔΣ）调制器和一个可编程数字滤波器组成。输入多路复用器可处理差分或单端信号，并包含检测外部传感器完整性的电路。可选的输入缓冲器能大幅提高输入阻抗，低噪声可编程增益放大器（PGA）提供1至64的二进制增益。数字滤波器的数据速率可在2.5SPS至30kSPS之间编程，允许在分辨率和速度之间进行权衡。

二、电气特性详解

（一）输入特性

1. 模拟输入电压范围：满量程输入电压为±2VREF / PGA，绝对输入电压在缓冲器关闭和开启时有所不同。缓冲器关闭时，输入电压范围为AGND - 0.1至AVDD + 0.1V；缓冲器开启时，范围为AGND至AVDD - 2.0V。
2. 可编程增益放大器（PGA）：PGA提供1至64的增益设置，不同增益下的输入阻抗和性能有所差异。例如，缓冲器关闭且PGA = 1、2、4、8、16时，差分输入阻抗为150/PGA kΩ；PGA = 32、64时，为4.7 kΩ；缓冲器开启且fDATA ≤ 50Hz时，可达80MΩ。

（二）系统性能

1. 分辨率和线性度：分辨率为24位，在所有数据速率和PGA设置下无失码。积分非线性误差在不同PGA设置下表现出色，如PGA = 1时，最大为±0.0010% FSR；PGA = 64时，在噪声水平上为±0.0007% FSR。
2. 偏移和增益误差：校准后，偏移误差和增益误差都非常小。例如，PGA = 1时，偏移误差为±100 nV/°C，增益误差为±0.005%；PGA = 64时，偏移误差为±4 nV/°C，增益误差为±0.03%。
3. 噪声性能：噪声性能是衡量ADC的重要指标之一。ADS1255/6的噪声性能可通过调整数据速率或PGA设置进行优化。数据速率降低时，噪声相应下降；PGA可降低测量低电平信号时的输入参考噪声。文档中提供了详细的噪声性能表格，展示了不同数据速率和PGA设置下的输入参考噪声、有效位数（ENOB）和无噪声分辨率。

（三）电源特性

模拟电源为5V，数字电源范围为1.8V至3.6V。不同工作模式下的功耗差异明显，正常模式下功耗最低为38mW，待机模式仅0.4mW，这使得ADS1255/6在功耗敏感的应用中具有很大优势。

三、功能模块分析

（一）输入多路复用器

输入多路复用器允许将任意模拟输入引脚连接到转换器的差分输入。ADS1256有九个模拟输入，可配置为四个独立差分输入、八个单端输入或两者的组合；ADS1255有三个模拟输入，可配置为一个差分输入或两个单端输入。为获得最佳模拟性能，建议在差分测量时使用AIN0至AIN7，最好是相邻输入；单端测量时使用AINCOM作为公共输入，AIN0至AIN7作为单端输入，并将未使用的模拟输入引脚浮空。

（二）传感器检测

传感器检测电流源（SDCS）可用于验证连接到ADS1255/6的外部传感器的完整性。启用SDCS后，会通过输入多路复用器向传感器提供约0.5μA、2μA或10μA的电流。此时，ADS1255/6会自动开启模拟输入缓冲器，以防止输入电路对SDCS产生负载影响。

（三）模拟输入缓冲器

通过STATUS寄存器中的BUFEN位可启用低漂移斩波稳定缓冲器，以显著提高ADS1255/6的输入阻抗。缓冲器启用时，输入阻抗与数据速率和CLKIN频率有关。同时，缓冲器启用时，模拟输入电压必须保持在AGND至AVDD - 2.0V之间，否则会影响性能，特别是线性度。

（四）可编程增益放大器（PGA）

PGA为ADS1255/6提供了更高的分辨率，在测量较小输入信号时尤为重要。为获得最佳分辨率，应根据最大输入信号选择合适的PGA设置。ADS1255/6的满量程输入电压为±2VREF / PGA，不同PGA设置下的满量程输入电压在文档中有详细列表。改变PGA设置后，建议重新校准A/D转换器，校准时间与PGA设置有关。

（五）调制器输入电路

ADS1255/6调制器通过内部电容测量输入信号，这些电容会不断充电和放电。输入采样和放电过程分为两个阶段，采样时间与PGA设置有关。充电过程会从传感器汲取瞬态电流，可据此计算有效阻抗。

（六）电压参考输入

电压参考输入是ADS1255/6的关键部分，参考电压为VREFP和VREFN之间的差分电压。参考输入使用的电路结构与模拟输入类似，有效阻抗为18.5kΩ（fCLKIN = 7.68MHz），温度系数约为35ppm/°C。在自增益校准期间，输入多路复用器的所有开关会打开，VREFN内部连接到AINN，VREFP连接到AINP。为防止增益误差，驱动参考引脚的电路应具备足够的驱动能力。

（七）数字滤波器

可编程低通数字滤波器接收调制器输出并产生高分辨率数字输出。通过调整滤波量，可在分辨率和数据速率之间进行权衡。滤波器由固定滤波器和可编程滤波器两部分组成，数据速率与平均次数有关。数字滤波器可衰减调制器输出的噪声，其带宽可通过改变可编程滤波器的平均次数进行调整。滤波器在数据输出速率及其倍数处有陷波，可用于消除特定干扰信号。

（八）建立时间

ADS1255/6的数字滤波器针对快速建立进行了优化，不同数据速率下的建立时间在文档中有详细表格。可通过SYNC/PDWN引脚或SYNC命令直接控制转换时序，实现同步操作。在输入多路复用器切换或从待机模式唤醒后，ADS1255/6会连续转换模拟输入，转换与DRDY的下降沿同步。

四、通信与控制

（一）串行接口

ADS1255/6采用SPI兼容的串行接口，由CS、SCLK、DIN和DOUT四个信号组成，允许控制器与ADC进行通信。可编程功能通过片上寄存器控制，数据通过串行接口读写这些寄存器。DRDY输出线用于指示转换完成状态，新数据可用时DRDY变低。

（二）命令定义

文档中详细列出了ADS1255/6的各种命令，如WAKEUP、RDATA、RDATAC、SDATAC等。这些命令可实现数据读取、连续数据读取、校准、同步、待机等功能。使用时需注意命令的时序和参数设置，确保通信正常。

（三）校准功能

ADS1255/6支持自校准和系统校准，可通过一系列命令实现，如SELFOCAL、SELFGCAL、SELFCAL、SYSOCAL和SYSGCAL。校准过程中，DRDY会变高，校准完成且数据稳定后变低。建议在电源稳定后上电时进行自校准，数据速率、缓冲器配置或PGA改变时也应进行校准。

五、应用建议

（一）硬件设计

为了充分发挥ADS1255/6的性能，在硬件设计时需要注意以下几点：

1. 电源旁路：采用良好的电源旁路技术，使用小值陶瓷电容与大值钽电容或大值低压陶瓷电容并联，并将电容靠近电源引脚放置。
2. 数字逻辑电压：尽量降低数字逻辑的工作电压，减少对模拟输入的耦合影响。
3. 数字输入抗干扰：在数字引脚串联小电阻（≈100Ω），控制走线阻抗，避免数字输入出现振铃现象。
4. 参考和模拟输入：参考和模拟输入是最关键的电路，应使用低等效串联电阻（ESR）的电容对电压参考输入进行旁路，并选择低噪声、低漂移的电压参考源。

（二）PCB设计

PCB设计对ADS1255/6的性能也有重要影响。建议使用单一接地平面，将模拟和数字电源的旁路电容以及模拟调理电路与该接地平面共享，但要避免让噪声较大的数字组件（如微处理器）使用该接地平面。如果使用分割接地平面，需确保模拟和数字平面连接在一起，避免ADS1255/6的模拟和数字接地引脚（AGND和DGND）之间存在电压差。

六、总结

ADS1255和ADS1256凭借其高精度、高速转换、灵活输入、低噪声和低功耗等诸多优点，成为了众多对精度要求极高的应用的理想选择。无论是科学仪器、工业过程控制、医疗设备，还是测试测量、称重秤等领域，ADS1255/6都能提供出色的性能表现。作为电子工程师，在设计相关应用时，深入了解和掌握ADS1255/6的特性和使用方法，将有助于我们设计出更加优秀的产品。

希望通过本文的介绍，能让大家对ADS1255/6有更深入的认识。在实际应用中，大家如果遇到任何问题，欢迎在评论区留言讨论。