深入剖析ADS1255/6：24位低噪声ADC的卓越性能与应用

在电子设计领域，高精度模拟到数字的转换至关重要。德州仪器（TI）的ADS1255和ADS1256作为24位超低噪声模数转换器（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，我们就来深入了解这两款转换器的特点、工作原理以及应用要点。

文件下载：ads1256.pdf

一、产品概述

ADS1255支持一个差分或两个单端输入，拥有两个通用数字I/O；而ADS1256支持四个差分或八个单端输入，具备四个通用数字I/O。除了输入和I/O数量的差异，二者在其他方面基本相同，在本文中统一简称为ADS1255/6。

（一）产品特性

1. 高精度：具有24位分辨率，无丢码现象，在所有数据速率和PGA设置下均可实现，最高可达23位无噪声分辨率。
2. 低非线性：最大非线性误差仅为±0.0010%，确保了测量的准确性。
3. 高速数据输出：数据输出速率最高可达30kSPS，满足快速数据采集的需求。
4. 灵活的输入配置：ADS1256拥有四个差分输入或八个单端输入，可根据实际需求灵活选择。
5. 低噪声PGA：输入参考噪声低至27nV，有效降低了噪声干扰。
6. 自校准和系统校准：支持所有PGA设置下的自校准和系统校准，可有效校正偏移和增益误差。
7. 低功耗：正常模式下功耗低至38mW，待机模式下仅为0.4mW，适合对功耗要求较高的应用。

（二）工作原理

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，并包含用于验证连接到输入的外部传感器完整性的电路。可选的输入缓冲器可显著提高输入阻抗，低噪声可编程增益放大器（PGA）提供1到64的二进制增益。可编程滤波器允许用户在高达23位的无噪声分辨率和高达30kSPS的数据速率之间进行优化。

二、关键性能指标分析

（一）电气特性

1. 模拟输入：满量程输入电压为±2VREF/PGA，输入电压范围受缓冲器状态影响。当缓冲器关闭时，绝对输入电压范围为AGND - 0.1到AVDD + 0.1V；当缓冲器开启时，范围为AGND到AVDD - 2.0V。
2. PGA：增益范围为1到64，不同增益设置下的输入阻抗和性能有所差异。在选择PGA时，应根据最大输入信号来确定最佳设置，以获得最高分辨率。
3. 系统性能：分辨率为24位，无丢码现象。数据速率可在2.5SPS到30kSPS之间编程，积分非线性误差在不同PGA设置下有所不同。
4. 电压参考输入：参考输入电压范围为0.5到2.6V，参考输入阻抗为18.5kΩ（fCLKIN = 7.68MHz）。在进行自增益校准时，参考输入范围会受到缓冲器状态的限制。

（二）噪声性能

ADS1255/6的噪声性能出色，可通过调整数据速率或PGA设置进行优化。随着数据速率的降低，噪声相应降低；PGA可在测量较低电平信号时降低输入参考噪声。文档中提供了不同数据速率和PGA设置下的输入参考噪声、有效位数（ENOB）和无噪声分辨率的详细表格，为工程师在实际应用中选择合适的参数提供了依据。

三、功能模块详解

（一）输入多路复用器

输入多路复用器允许任何模拟输入引脚连接到转换器的差分输入，可灵活配置为差分或单端输入。ADS1256提供九个模拟输入，可配置为四个独立的差分输入、八个单端输入或两者的组合；ADS1255提供三个模拟输入，可配置为一个差分输入或两个单端输入。为了获得最佳模拟性能，建议在差分测量时使用AIN0到AIN7，最好是相邻的输入；在单端测量时，使用AINCOM作为公共输入，AIN0到AIN7作为单端输入。

（二）开/短路传感器检测

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。当SDCS启用时，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。在SDCS启用时，ADS1255/6会自动打开模拟输入缓冲器，以防止输入电路对SDCS产生负载。

（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，以显著增加ADS1255/6的输入阻抗。缓冲器启用时，输入阻抗可根据不同的数据速率设置进行调整，最高可达80MΩ（fCLKIN = 7.68MHz，数据速率≤50SPS）。但需要注意的是，缓冲器启用时，模拟输入电压必须保持在AGND到AVDD - 2.0V之间，否则会影响性能。

（四）可编程增益放大器（PGA）

PGA可在测量较小输入信号时提供更高的分辨率。ADS1255/6的满量程输入电压为±2VREF/PGA，应根据最大输入信号选择最佳的PGA设置。改变PGA设置后，建议重新校准A/D转换器，以确保测量的准确性。

（五）调制器输入电路

ADS1255/6的调制器使用内部电容器来测量输入信号，这些电容器会不断充电和放电。输入采样时间和电容器值与PGA设置有关，不同PGA设置下的输入采样时间和电容器值在文档中有详细表格。输入电容器的充电会从驱动ADS1255/6输入的传感器中吸取瞬态电流，可根据该电流计算有效阻抗。

（六）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。滤波器由一个固定滤波器和一个可编程滤波器组成，数据速率与可编程滤波器的平均次数有关。数字滤波器可衰减调制器输出上的噪声，其低通特性在调制器速率的倍数处重复。

四、时序与控制

（一）串行接口

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ADS1255/6进行通信。可编程功能通过一组片上寄存器进行控制，数据通过串行接口写入和读取这些寄存器。DRDY输出线用于指示转换是否完成，当新数据可用时，DRDY变为低电平。

（二）同步与转换控制

ADS1255/6支持同步功能，可通过SYNC/PDWN引脚或SYNC命令实现。同步操作可协调A/D转换与外部事件，并在模拟输入发生瞬时变化后加快稳定时间。此外，还支持单周期稳定功能，可通过不同的方式控制转换过程，如使用同步、输入多路复用器或单触发模式。

（三）校准

ADS1255/6支持自校准和系统校准，可通过一组五个命令（SELFOCAL、SELFGCAL、SELFCAL、SYSOCAL和SYSGCAL）实现。校准可在任何时候进行，但在许多应用中，由于ADS1255/6的漂移性能较低，一次校准通常就足够了。建议在电源上电且参考电压稳定后执行自校准命令。

五、应用建议

（一）硬件设计

为了获得ADS1255/6的最佳性能，需要注意其支持电路和印刷电路板（PCB）设计。建议使用单一接地平面用于模拟和数字电源，并与旁路电容器和模拟调理电路共享。避免将该接地平面用于嘈杂的数字组件，如微处理器。同时，要注意电源旁路、参考和模拟输入的处理，使用低等效串联电阻（ESR）的电容器进行旁路，确保参考电压的低噪声和低漂移。

（二）数字接口连接

ADS1255/6的5V容忍SPI、QSPI和MICROWIRE兼容接口可轻松连接到各种微控制器。文档中提供了与TI的MSP430系列低功耗微控制器、具有SPI接口的微控制器（如TI的MSC12xx系列或68HC11系列）以及8xC51 UART的连接示例。

六、总结

ADS1255和ADS1256以其高精度、低噪声、灵活的输入配置和低功耗等特性，成为众多高精度测量应用的理想选择。在实际设计中，工程师需要根据具体需求合理选择参数，注意硬件设计和接口连接，以充分发挥这两款转换器的性能。希望本文能为电子工程师在使用ADS1255/6时提供有价值的参考。你在使用这两款转换器的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。