深入解析ADS1202：高性能Delta-Sigma调制器的全面指南

在电子工程领域，模数转换器（ADC）是连接模拟世界和数字世界的关键桥梁。而德州仪器（TI）的ADS1202作为一款高性能的Delta-Sigma调制器，在众多应用中展现出了卓越的性能。今天，我们就来深入探讨一下ADS1202的特性、工作原理、应用以及设计注意事项。

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一、ADS1202概述

ADS1202是一款由德州仪器推出的精密Delta-Sigma（∆Σ）调制器，具有80dB的动态范围，可在单+5V电源下工作。它拥有16位分辨率和13位线性度，能够在分辨率和速度之间进行灵活权衡。例如，在20µs信号延迟下可实现10位有效分辨率，在77µs延迟下可实现12位有效分辨率。其差分输入非常适合直接连接传感器或低电平信号，配合适当的数字滤波器和调制器速率，可实现无丢失码的16位模数（A/D）转换。

特性亮点

• 高分辨率与线性度：16位分辨率和13位线性度确保了高精度的信号转换。
• 灵活的分辨率/速度权衡：根据不同的应用需求，可以选择不同的分辨率和信号延迟组合。
• 宽输入范围：在单5V电源下，输入范围可达±250mV。
• 灵活的串行接口：具备四种不同的模式，支持双二进制编码（如分相或曼彻斯特编码），适用于单线接口。
• 宽工作温度范围：可在–40°C至+85°C的温度范围内稳定工作。

应用领域

ADS1202广泛应用于电机控制电流测量、工业过程控制仪表、智能变送器、便携式仪器、体重秤和压力传感器等领域，为这些应用提供了高精度的信号转换解决方案。

二、工作原理

模拟输入阶段

ADS1202的差分模拟输入采用开关电容电路实现，该电路构成了二阶调制器级，将输入信号数字化为1位输出流。输入阻抗取决于输入电容和调制器时钟频率（MCLK），其计算公式为 $A{I N}(\Omega)=\frac{10^{12}}{7 \cdot f{MCLK(MHz)}}$ 。在设计中，当输入信号的源阻抗较高时，需要考虑输入阻抗的影响，以避免信号损失。同时，模拟输入信号有两个限制：电流不得超过10mA，绝对输入电压范围必须在GND – 0.4V至 $V_{D D}+0.3 V$ 之间，且线性度仅在输入电压位于–320mV至+320mV范围内时得到保证。

调制器

调制器采样频率（CLK）在模式3下可在几MHz至12MHz的范围内工作，MCLK频率可根据应用需求进行调整，外部MCLK必须是调制器频率的两倍。调制器本质上是一个二阶电荷平衡A/D转换器，通过对模拟输入电压和1位数模转换器（DAC）的输出进行差分处理，将信号输入到积分器中。当积分器输出信号达到比较器参考电压时，比较器输出翻转，从而使1位DAC改变其模拟输出电压，迫使积分器输出跟踪输入的平均值。

数字输出

当外部时钟应用于MCLK时，ADS1202将其用作系统时钟和数据输出的帧时钟（仅在模式3下可用）。调制器输出数据是一个串行流，可在MDAT引脚获取，通常在MCLK的下降沿读取。不同的输入差分信号会产生不同比例的高低电平输出流，例如，0V输入会产生50%高电平、50%低电平的流，256mV输入会产生80%高电平的流，–256mV输入会产生20%高电平的流。

数字接口

ADS1202具有灵活的数字接口，通过控制信号M0和M1可以选择四种不同的工作模式。在大多数应用中，MDAT和MCLK信号提供了最简单的连接方式。为了实现调制器和DSP或µC之间的同步，有三种常用方法：从主时钟获取时钟信号、调制器与数据信号一起传输时钟信号、滤波器从接收波形中导出时钟信号。

不同工作模式

• 模式0：内部时钟，同步数据输出。M0和M1均为低电平，DSP或µC在MCLK输出时钟的上升沿读取MDAT数据。
• 模式1：内部时钟，同步数据输出，半输出时钟频率。M0为高电平，M1为低电平，DSP或µC在输出时钟的上升沿和下降沿读取数据。
• 模式2：内部时钟，曼彻斯特编码数据输出。M0为低电平，M1为高电平，MCLK输出时钟不活跃，DSP或µC需要从接收到的波形中导出时钟信号。
• 模式3：外部时钟，同步数据输出。M0和M1均为高电平，DSP或µC在输入时钟的下降沿读取数据。

三、应用实例

模式0应用

在典型的电机相电流测量应用中，通过分流电阻测量电流。为了提高性能，对输入信号进行滤波，$R{2}$ 和 $C{2}$ 用于过滤同相输入信号的噪声，$R{3}$ 和 $C{3}$ 用于过滤反相输入信号的噪声，$C{4}$ 与 $R{2}$ 和 $R_{3}$ 一起过滤共模输入噪声。电源取自上栅极驱动电源，并使用0.1µF的去耦电容进行滤波，如有需要还可添加1µF至10µF的电容。控制线路M0和M1均为低电平，MCLK和MDAT信号直接连接到光耦合器，光耦合器输出可直接连接到DSP的SPICLK和SPISIMO引脚。

模式2应用

当需要减少组件数量时，ADS1202可工作在模式2。此时仅对同相输入信号进行滤波，反相输入直接连接到GND引脚。输出信号采用曼彻斯特编码，只需一个光耦合器通道，且DSP每个通道只需使用一条线路，可使用更小的DSP封装。

四、布局注意事项

电源供应

ADS1202只需一个电源（$V{DD}$），建议连接到模拟电源。为了控制噪声，可在电源上使用10Ω电阻，并结合去耦电容进行滤波。模拟电源必须稳压且低噪声，因为数字电源的高频噪声可能会耦合到ADS1202的模拟部分，影响转换结果。在电源开启前，应避免输入信号（如 $V{IN}+$ 、 $V_{IN}-$ 和MCLK）的存在，否则可能导致闩锁现象，可使用串联电阻限制输入电流。

接地

模拟和数字部分应进行清晰的分区，各有独立的接地平面，通过转换器下方的适度信号走线连接。对于多个转换器，应在一个中心位置尽可能靠近地连接两个接地平面。

去耦

所有去耦电容（特别是0.1µF陶瓷电容）应尽可能靠近被去耦的引脚放置。使用1µF和10µF电容与0.1µF陶瓷电容并联，将 $V_{DD}$ 与GND去耦。

五、总结

ADS1202作为一款高性能的Delta-Sigma调制器，凭借其高分辨率、灵活的接口和宽工作温度范围等特性，在众多应用领域展现出了强大的优势。在设计过程中，我们需要充分考虑其工作原理、应用需求和布局注意事项，以确保其性能的充分发挥。希望通过本文的介绍，能帮助电子工程师更好地了解和应用ADS1202，为设计出更优秀的电子系统提供参考。你在使用ADS1202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。