深入剖析ADS1243：高精度24位模数转换器的卓越之选

在电子工程师的日常设计工作中，高精度模数转换器（ADC）往往是实现精确测量和数据采集的关键组件。今天，我们就来深入了解一下德州仪器（TI）推出的ADS1242和ADS1243这两款24位高精度模数转换器，探讨它们的特性、工作原理以及在实际应用中的表现。

文件下载：ads1243.pdf

一、产品概述

ADS1242和ADS1243是TI推出的高精度、宽动态范围的Δ - Σ型模数转换器，工作电压范围为2.7V至5.25V，具备24位无失码性能和高达21位的有效分辨率。这两款转换器适用于多种应用场景，如工业过程控制、液体/气相色谱分析、血液分析、智能变送器、便携式仪器和电子秤等。

二、产品特性亮点

1. 高精度转换

• 无失码性能：24位无失码性能确保了转换结果的准确性，能够满足对精度要求极高的应用场景。
• 有效分辨率：在PGA = 1时，有效分辨率可达21位；当PGA = 128时，有效分辨率仍有19位，为高精度测量提供了有力支持。
• 极低的积分非线性（INL）：INL仅为0.0015%，保证了转换结果的线性度，减少了测量误差。

2. 出色的抗干扰能力

能够同时对50Hz和60Hz的干扰信号进行抑制，抑制能力最低可达 - 90dB，有效减少了市电干扰对测量结果的影响。

3. 灵活的增益设置

可编程增益放大器（PGA）的增益范围从1到128，用户可以根据实际需求灵活选择增益，提高了转换器的适用性。

4. 快速响应

单周期稳定的数字滤波器，在新通道选择后的第一次转换即可提供有效数据，大大缩短了测量时间。

5. 丰富的功能特性

• 内置校准功能：支持自校准和系统校准，能够有效减小偏移和增益误差，提高测量的准确性。
• 宽范围的外部差分参考电压：外部差分参考电压范围为0.1V至5V，方便用户根据实际应用选择合适的参考电压。
• 多种数据输出速率：可编程的数据输出速率，满足不同应用场景对数据采集速度的要求。

三、关键模块解析

1. 输入多路复用器

输入多路复用器允许用户在任意输入通道上选择各种差分输入组合。对于ADS1243，最多可实现七个单端输入通道或四个独立的差分输入通道；对于ADS1242，最多可实现三个单端输入通道或两个独立的差分输入通道。同时，通过同步MUX更改与转换开始（DRDY信号下降沿），可以最小化建立误差。

2. 烧断电流源

烧断电流源可用于检测传感器的短路或开路状态。通过设置SETUP寄存器中的BOCS位，激活两个2µA的电流源，分别连接到转换器的正负输入。当传感器开路时，转换器输出满量程；当传感器短路时，输出近似为零。

3. 输入缓冲器

当输入缓冲器未启用时，ADS1242/43的输入阻抗约为5MΩ/PGA；启用后，输入阻抗可提高到约5GΩ，满足对高输入阻抗有要求的系统。缓冲器的输入范围约为50mV至$V_{D D}-1.5V$，超出此范围线性度会下降。

4. 可编程增益放大器（PGA）

PGA的增益可设置为1、2、4、8、16、32、64或128。通过合理设置PGA增益，可以提高A/D转换器的有效分辨率，例如在5V满量程信号下，PGA = 1时可分辨到1µV；PGA = 128时，可分辨到75nV。

5. 偏移DAC

偏移DAC（ODAC）寄存器可将PGA的输入偏移半个满量程输入范围。ODAC是一个8位值，MSB为符号位，7个LSB提供偏移量的大小。在使用时，需要在校准后启用ODAC，以确保校准效果。

6. 调制器

调制器是一个单环二阶系统，其时钟速度（$f{MOD}$）由外部时钟（$f{OSC}$）和SPEED位决定。不同的SPEED位设置会影响调制器的运行频率，从而影响数据输出速率和抗干扰性能。

7. 校准功能

ADS1242和ADS1243支持自校准和系统校准。自校准通过SELFGCAL、SELFOCAL和SELFCAL命令实现，可校正内部偏移和增益误差；系统校准通过SYSOCAL和SYSGCAL命令实现，可校正内部和外部的偏移和增益误差。校准应在电源开启、温度变化或PGA改变后进行。

8. 外部电压参考

这两款转换器需要外部电压参考，参考电压通过ACR寄存器选择。外部电压参考为差分形式，引脚电压范围为GND至$V{DD}$，但不同的$V{DD}$和RANGE设置对差分$V_{REF}$有不同的限制。

9. 时钟发生器

时钟源可以是晶体、振荡器或外部时钟。当使用晶体作为时钟源时，需要提供外部电容以确保启动和稳定的时钟频率。

10. 数字滤波器

ADS1242和ADS1243配备了1279抽头的线性相位有限脉冲响应（FIR）数字滤波器，用户可根据需要配置不同的输出数据速率。当使用2.4576MHz晶体时，可实现15Hz、7.5Hz或3.75Hz的数据输出速率，并能同时抑制50Hz和60Hz的干扰。

11. 数据I/O接口

ADS1242有四个引脚，ADS1243有八个引脚，这些引脚兼具模拟输入和数据I/O的双重功能。通过IOCON、DIR和DIO寄存器，可将这些引脚单独配置为模拟输入或数据I/O。

12. 串行外设接口（SPI）

SPI接口允许控制器与ADS1242和ADS1243进行同步通信，工作在从机模式。标准的四线SPI接口（CS、SCLK、$D{IN}$和$D{OUT}$）确保了数据传输的稳定性和可靠性。

13. 数据就绪（DRDY）引脚

DRDY引脚作为状态信号，用于指示内部数据寄存器中的数据是否准备好读取。当DOR寄存器中有新的数据字时，DRDY引脚变为低电平；读取操作完成后，DRDY引脚恢复为高电平。

14. DSYNC操作

通过DSYNC命令可实现同步操作。发送DSYNC命令后，数字滤波器在命令的最后一个SCLK边缘复位，调制器保持复位状态，直到检测到下一个SCLK边缘，同步在DSYNC命令后的第一个SCLK之后的系统时钟上升沿发生。

三、寄存器配置与命令操作

1. 寄存器配置

ADS1242和ADS1243共有16个寄存器，用于配置器件的各种功能，如数据格式、多路复用器设置、校准设置、数据速率等。每个寄存器都有其特定的功能和位定义，工程师需要根据实际需求进行合理配置。

2. 命令操作

通过一系列控制命令，如RDATA、RDATAC、STOPC、RREG、WREG等，可以实现对转换器的各种操作，如读取数据、连续读取数据、停止连续读取、读取寄存器、写入寄存器等。

四、应用实例

1. 通用电子秤

在通用电子秤应用中，可将内部PGA设置为64或128（根据称重传感器的最大输出电压而定），使称重传感器的输出能够直接连接到ADS1242的差分输入，实现对重量的精确测量。

2. 高精度电子秤

对于高精度电子秤应用，前端差分放大器可以帮助最大化动态范围，进一步提高测量精度。

五、总结

ADS1242和ADS1243凭借其高精度、低功耗、丰富的功能特性和灵活的配置选项，成为了电子工程师在高精度测量和数据采集应用中的理想选择。在实际设计过程中，工程师需要根据具体的应用需求，合理配置寄存器和命令，充分发挥这两款转换器的性能优势。同时，在使用过程中，还需要注意校准、时钟源选择、电源管理等方面的问题，以确保系统的稳定性和可靠性。

希望通过本文的介绍，能够帮助电子工程师更好地了解和使用ADS1242和ADS1243这两款优秀的模数转换器，在实际项目中取得更好的设计效果。你在使用这两款转换器的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区留言分享。