ADS1217：高精度24位模数转换器的全方位解析

在电子设计领域，模数转换器（ADC）是连接模拟世界和数字世界的重要桥梁。今天，我们要深入探讨的是德州仪器（Texas Instruments）的ADS1217，一款具备24位分辨率的高精度模数转换器，它在工业过程控制、智能变送器等众多领域都有着广泛的应用。

文件下载：ads1217.pdf

一、ADS1217的核心特性

1. 高精度与高分辨率

ADS1217拥有24位无失码性能，最大积分非线性（INL）仅为0.0012%的满量程范围（FSR），有效分辨率可达22位（PGA = 1时），即使在PGA增益为128时，也能保证19位的有效分辨率。这种高精度特性使得它能够精确地捕捉和转换微小的模拟信号，为后续的数字处理提供准确的数据基础。

2. 灵活的可编程增益放大器（PGA）

PGA的增益范围可在1到128之间进行选择，用户可以根据实际应用场景灵活调整增益，以适应不同幅度的输入信号。例如，在处理微弱信号时，可以选择较高的增益值，提高信号的分辨率；而在处理较大幅度信号时，则可以选择较低的增益，避免信号饱和。

3. 高速数据输出与单周期稳定模式

ADS1217支持可编程的数据输出速率，最高可达1kHz，并且具备单周期稳定模式。这意味着它能够快速地完成信号转换并输出稳定的数据，满足一些对实时性要求较高的应用场景。

4. 片上资源丰富

片上集成了1.25V/2.5V参考电压源和校准功能，减少了外部元件的使用，简化了电路设计。同时，SPI兼容的串行接口方便与微控制器等其他设备进行通信，实现数据的传输和控制。

5. 低功耗设计

在电源电压为3V时，功耗小于1mW，这种低功耗特性使得ADS1217非常适合应用于便携式仪器等对功耗要求较高的设备中。

二、电气特性分析

1. 不同电源电压下的性能表现

文档中详细给出了在AVDD = 5V和AVDD = 3V两种电源电压下的电气特性参数。例如，在模拟输入方面，不同的电源电压和缓冲器状态会影响输入电压范围、输入阻抗和带宽等参数。在AVDD = 5V，缓冲器开启时，模拟输入电压范围为AGND + 0.05V到AVDD - 1.5V；而在AVDD = 3V时，该范围变为AGND + 0.05V到AVDD - 1.5V。这些参数的变化需要工程师在设计电路时进行充分考虑，以确保ADS1217能够在不同的电源条件下稳定工作。

2. 系统性能指标

系统性能指标包括分辨率、积分非线性、偏移误差、增益误差等。以分辨率为例，在Sinc3滤波器模式下，ADS1217能够达到24位的分辨率，保证了数据的精确性。而积分非线性则反映了转换器输出与理想线性输出之间的偏差，其最大值为0.0012%的FSR，体现了ADS1217的高精度特性。

3. 电压参考输入与片上电压参考

ADS1217采用差分电压参考输入，参考输入电流会随着调制器时钟频率和PGA设置的升高而增加。片上提供了可选择的1.25V或2.5V电压参考源，通过设置相关寄存器位可以实现参考源的启用和电压选择。在使用片上电压参考时，需要将VREFOUT引脚通过0.1µF电容旁路到AGND，以保证参考电压的稳定性。

三、功能模块详解

1. 输入多路复用器

ADS1217的输入多路复用器允许用户选择任意组合的差分输入通道，最多可实现八个全差分输入通道。同时，还提供了电流源，用于检测引脚的开路或短路情况。这种灵活的输入配置方式使得ADS1217能够适应不同类型的传感器和信号源，提高了其通用性。

2. 温度传感器

片上集成的二极管提供了温度传感功能。当输入多路复用器的配置寄存器设置为全1时，二极管连接到A/D转换器的输入，通过测量二极管的电压变化可以实现温度的测量。详细的测量方法可以参考相关应用报告。

3. 烧断电流源

当ACR配置寄存器中的烧断位被设置时，会启用两个电流源，分别在正输入通道提供约2µA的电流源，在负输入通道吸收约2µA的电流。通过检测这些电流的变化，可以判断所选输入差分对是否存在开路（满量程读数）或短路（0V差分读数）情况，提高了系统的可靠性。

4. 输入缓冲器

输入缓冲器可以提高输入阻抗，方便与传感器或低电平电压信号直接连接。但启用缓冲器会减小输入电压范围并增加模拟电源电流。缓冲器的状态由缓冲器引脚和ACR寄存器中的BUFFER位共同控制。

5. IDAC1和IDAC2

ADS1217拥有两个独立控制的8位电流输出DAC，输出电流由RDAC、ACR寄存器中的范围选择位和IDAC寄存器中的8位数字值共同决定。通过合理设置这些参数，可以实现对输出电流的精确控制。

6. 数字滤波器

数字滤波器可以选择快速稳定、sinc2或sinc3滤波器，还支持自动模式。在自动模式下，当输入通道或PGA发生变化时，会自动切换滤波器类型，结合了快速稳定滤波器的快速响应和sinc3滤波器的低噪声优势。在使用快速稳定滤波器时，选择能被4整除的抽取值可以获得更好的增益精度。

四、接口与通信

1. 数字I/O接口

ADS1217提供了八个专用的数字I/O引脚，默认上电状态为输入。这些引脚可以通过DIR控制寄存器和DIO寄存器进行独立配置，用于输入或输出。如果不使用这些数字I/O引脚，可以将其配置为输出或接地，以避免额外的功耗。

2. 串行外设接口（SPI）

SPI接口允许控制器与ADS1217进行同步通信，ADS1217工作在从机模式。在进行数据交换时，需要外部设备将芯片选择（CS）引脚拉低，并确保在整个交易过程中保持低电平。串行时钟（SCLK）用于时钟数据传输，要注意避免SCLK上出现毛刺，以免导致数据移位异常。

3. 数据就绪信号（DRDY）

DRDY输出引脚作为状态信号，用于指示何时可以从ADS1217读取数据。当有新数据可用时，DRDY引脚变为低电平；当从数据寄存器完成读取操作后，DRDY引脚复位为高电平。在输出寄存器更新之前，DRDY引脚也会变为高电平，提醒用户不要在此时读取数据，以避免读取到错误的数据。

4. DSYNC操作

DSYNC用于实现A/D转换与外部事件的同步。可以通过DSYNC引脚或DSYNC命令来实现同步。当使用DSYNC引脚时，在其下降沿会重置滤波器计数器，调制器保持复位状态直到DSYNC引脚变为高电平，同步发生在系统时钟的下一个上升沿。

五、校准与命令控制

1. 校准功能

ADS1217支持自校准和系统校准两种方式。自校准通过三条命令实现，分别是同时进行偏移和增益校准、仅进行偏移校准和仅进行增益校准。每种校准过程需要七个tDATA周期完成，同时进行偏移和增益校准则需要14个tDATA周期。系统校准需要向输入施加适当的信号，偏移校准需要零差分输入信号，增益校准需要正满量程差分输入信号。校准必须在电源上电、抽取比改变或PGA改变后进行，对于参考电压大于（AVDD - 1.5V）的情况，校准期间需要关闭缓冲器。

2. 命令定义

文档中详细列出了一系列用于控制ADS1217操作的命令，包括读取数据、读取寄存器、写入寄存器、复制寄存器到RAM、计算校验和、校准等命令。这些命令有些是独立命令，有些需要额外的字节来指定操作参数。在使用这些命令时，需要注意命令的执行时间和数据传输顺序，以确保操作的正确性。

六、实际应用中的注意事项

1. 电源供应

电源供应的稳定性对ADS1217的性能至关重要。要确保电源电压在规定的范围内（2.7V到5.25V），并且电源的纹波和噪声要尽可能小。同时，要注意电源的上电斜坡速率，电源应单调上升，以保证芯片的正常启动。

2. 时钟源选择

时钟源可以选择晶体、振荡器或外部时钟。如果使用晶体作为时钟源，需要提供外部电容以确保时钟的稳定启动和频率精度。不同的时钟频率会影响调制器的运行速度和数据输出速率，需要根据实际应用需求进行合理选择。

3. PCB布局

在PCB布局时，要注意将敏感的模拟信号和数字信号分开布线，避免相互干扰。VRCAP引脚是一个敏感引脚，要将旁路电容尽可能靠近该引脚放置，并避免任何电阻性负载。同时，要注意SPI接口的布线，避免信号反射和干扰。

4. 数据处理

由于ADS1217输出的是数字信号，在进行数据处理时，需要根据实际应用需求进行适当的滤波和校准。例如，对于噪声较大的应用场景，可以采用数字滤波算法进一步降低噪声；对于需要高精度测量的应用，要确保校准过程的准确性。

ADS1217是一款功能强大、性能优异的24位模数转换器。通过深入了解其特性、功能模块、接口通信和校准控制等方面的知识，电子工程师可以更好地将其应用到实际设计中，实现高精度的信号转换和处理。在实际应用过程中，还需要注意电源供应、时钟源选择、PCB布局和数据处理等方面的问题，以确保系统的稳定性和可靠性。希望本文能够为广大电子工程师在使用ADS1217进行设计时提供一些有价值的参考。