ADS1112：高精度ADC的详细解析与应用指南

在电子设备的设计过程中，模拟信号到数字信号的转换是一个关键环节。而高精度的模数转换器（ADC）则是实现这一转换的核心部件。今天，我们就来详细探讨一下德州仪器（TI）的ADS1112这款16位ADC。

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一、ADS1112概述

ADS1112是一款精密的、具备连续自校准功能的模数转换器，采用小巧的MSOP - 10和无引脚QFN风格（小外形、无引脚）封装。它拥有两个差分通道或三个单端通道，最高可实现16位的分辨率。其片上集成的2.048V参考电压，能提供±2.048V的差分输入范围。工作电源范围为2.7V至5.5V，使用I²C兼容的串行接口，并且有两个地址引脚，允许用户从八个I²C从地址中选择一个。

二、关键特性

2.1 多通道测量

ADS1112支持从两个差分通道或三个单端通道进行测量，这使得它在不同的应用场景中都能灵活应对。例如，在工业过程控制中，可以同时测量多个传感器的信号。

2.2 I²C接口与多地址选择

I²C接口是一种广泛应用的串行通信接口，支持多个设备和主设备在单总线上通信。ADS1112通过两个地址引脚A0和A1，可以选择八个不同的I²C从地址，方便在同一总线上连接多个ADS1112设备。

2.3 片上参考电压

片上集成的2.048V参考电压，精度为2.048V ±0.05%，漂移为5ppm/°C。这为ADC提供了稳定的参考，保证了测量的准确性。

2.4 可编程增益放大器（PGA）

PGA可提供高达八倍的增益，使得较小的信号也能以高分辨率进行测量。在一些微弱信号检测的应用中，如便携式仪器，PGA的作用就显得尤为重要。

2.5 可编程数据速率

数据速率可在15SPS至240SPS之间进行编程选择，用户可以根据实际应用需求来平衡采样速度和分辨率。

2.6 低功耗设计

在单转换模式下，ADS1112在一次转换完成后会自动断电，大大降低了空闲期间的电流消耗，非常适合电池供电的便携式设备。

三、绝对最大额定值

在使用ADS1112时，必须要注意其绝对最大额定值，以避免对器件造成永久性损坏。以下是一些关键的绝对最大额定值：	参数	数值
VDD到GND	-0.3V至 +6V
输入电流（瞬间）	100mA
输入电流（连续）	10mA
模拟输入A0、A1到GND的电压	-0.3V至VDD + 0.3V
SDA、SCL到GND的电压	-0.5V至6V
最大结温	+150℃
工作温度范围	-40°C至 +125°C
存储温度范围	-60°C至 +150°C
引脚焊接温度（10s）	+300°C

四、工作原理

4.1 模数转换器核心

ADS1112的A/D转换器核心由一个差分开关电容Δ - Σ调制器和一个数字滤波器组成。调制器测量由输入多路复用器选择的正、负模拟输入之间的电压差，并将其与2.048V的参考电压进行比较。数字滤波器接收来自调制器的高速位流，并输出一个与输入电压成比例的代码。

4.2 多路复用器

输入多路复用器提供两个差分或三个单端输入通道，通过配置寄存器中的两位来控制多路复用器的设置。

4.3 电压参考

片上集成的2.048V电压参考是ADC的唯一参考，不能连接外部参考。其性能会影响整个ADS1112的增益和漂移特性。

4.4 输出代码计算

输出代码是一个缩放值，与两个模拟输入之间的电压差成比例（除了削波情况）。输出代码的范围取决于数据速率，具体如下表所示：	数据速率	位数	最小代码	最大代码
15SPS	16	-32,768	32,767
30SPS	15	-16,384	16,383
60SPS	14	-8192	8191
240SPS	12	-2048	2047

输出代码的计算公式为：$Output Code = -1 × Min Code × PGA × \frac{(V{IN+}) - (V{IN-})}{2.048 V}$

4.5 自校准

ADS1112内置了自校准电路，可连续自动校准，无需用户干预，也不能停用。校准效果体现在电气特性中的失调和增益误差数据里。

4.6 时钟振荡器

片上集成的时钟振荡器为调制器和数字滤波器提供时钟信号。由于其频率会随电源电压和温度变化，可能会影响输入阻抗和数据速率。而且，ADS1112不能使用外部系统时钟。

4.7 输入阻抗

ADS1112采用开关电容输入级，其输入阻抗受PGA设置、电容值和开关频率影响。开关频率由片上时钟振荡器决定，会随电源电压和温度漂移。在高输出阻抗信号源的应用中，可能需要使用缓冲器，但要注意缓冲器会引入噪声、失调和增益误差。

4.8 混叠问题

当输入信号频率超过数据速率的一半时，会发生混叠现象。ADS1112的数字滤波器能对高频噪声进行一定衰减，但不能完全替代抗混叠滤波器。在某些应用中，可能需要外部的简单RC滤波器。

五、使用方法

5.1 工作模式

ADS1112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；在单转换模式下，需要将转换寄存器中的ST/DRDY位置1来启动一次转换，转换完成后会自动断电。

5.2 复位和上电

上电时，ADS1112会自动复位，将配置寄存器的所有位设置为默认值。它还能响应I²C通用调用复位命令。

5.3 I²C接口

ADS1112通过I²C接口进行通信，这是一种两线开漏接口，支持多个设备和主设备在单总线上通信。通信时，主设备发起通信，发送地址字节选择从设备，并通过时钟线SCL和数据线SDA进行数据传输。ADS1112只能作为从设备，SCL为输入引脚。

5.4 I²C通用调用

当接收到I²C通用调用地址（0000000）且第八位为0时，ADS1112会响应。根据第二个字节的不同，它可以锁存地址引脚状态或进行内部复位。

5.5 串行总线地址

主设备通过发送包含七个地址位和一个方向位的从地址字节来对ADS1112进行编程。ADS1112的两个地址引脚A0和A1可以设置为低电平、高电平或浮空，从而选择八个不同的I²C地址。

5.6 I²C数据速率

I²C总线有标准模式（最高100kHz）、快速模式（最高400kHz）和高速模式（最高3.4MHz）三种速度模式。ADS1112与这三种模式完全兼容，但高速模式需要发送特殊的地址字节来激活。

5.7 寄存器

ADS1112有两个可通过I²C端口访问的寄存器：输出寄存器和配置寄存器。输出寄存器存储最后一次转换的结果，配置寄存器用于控制ADS1112的工作模式、输入选择、数据速率和PGA设置。

5.8 读写操作

读取时，先对ADS1112进行读寻址，然后读取三个字节，前两个是输出寄存器内容，第三个是配置寄存器内容。写入时，先对ADS1112进行写寻址，然后发送一个字节到配置寄存器。

六、应用信息

6.1 基本连接

ADS1112的连接相对简单，其全差分电压输入适合连接中等低源阻抗的差分信号源。在转换时，它会瞬间吸收电流，因此需要0.1µF的旁路电容。I²C总线的SDA和SCL线需要上拉电阻，电阻值要根据总线速度和电容来选择。

6.2 连接多个设备

可以通过设置地址引脚A0和A1，将多个ADS1112连接到同一总线上。每个总线只需一组上拉电阻，但可能需要适当降低电阻值以补偿额外的总线电容。

6.3 使用GPIO端口模拟I²C

如果没有I²C控制器，可以使用微控制器的GPIO引脚模拟I²C总线协议。在这种情况下，SCL线可以不使用上拉电阻，但如果总线上有设备可能拉低时钟线，则需要使用上拉电阻。

6.4 单端输入测量

虽然ADS1112有两个差分输入，但也可以轻松测量三个单端信号。通过将AIN3引脚接地，并将输入信号施加到AIN0、AIN1或AIN2上，然后根据配置寄存器的选择读取数据。

6.5 低侧电流监测

在低侧分流型电流监测电路中，ADS1112可以读取分流电阻上的电压。建议将ADS1112的增益设置为8，同时降低OPA335运算放大器的增益。为了保护ADS1112，输入线上可以放置限流电阻。

ADS1112是一款功能强大、性能优越的16位ADC，在便携式仪器、工业过程控制、智能变送器等领域都有广泛的应用前景。通过深入了解其特性、工作原理和使用方法，我们可以更好地发挥它的优势，设计出更优秀的电子系统。你在使用ADS1112的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。