德州仪器ADS7870：高性能低功耗数据采集系统的首选

在电子工程师的日常工作中，数据采集系统是一个关键的环节。今天，我们就来详细探讨一下德州仪器（Texas Instruments）的ADS7870，这是一款集成了模数转换器（ADC）、多路复用器（MUX）、可编程增益放大器（PGA）和参考电压源的完整低功耗数据采集系统。

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一、产品概述

ADS7870是一款高度集成的单芯片数据采集系统，它结合了4通道差分/8通道单端多路复用器、精密可编程增益放大器、12位逐次逼近型模数转换器和精密电压参考源。该芯片具有多种可编程功能，适用于各种低功耗应用场景，如便携式电池供电系统、低功耗仪器仪表、低功耗控制系统和智能传感器应用等。

二、关键特性

（一）可编程增益放大器（PGA）

PGA提供了1、2、4、5、8、10、16和20 V/V的增益选择，能够满足不同信号强度的放大需求。其单电源、轨到轨输入、自动调零和基于电容的仪表放大器设计，保证了高输入阻抗、出色的增益精度、良好的共模抑制比和低噪声性能。对于许多低电平信号，无需在信号源和A/D输入之间进行外部放大或阻抗缓冲。

（二）输入配置

输入通道可以配置为8通道单端输入、4通道差分输入或它们的组合，具有很高的灵活性。通过设置相关寄存器的位，可以方便地选择不同的输入配置。

（三）内部参考电压源

内部参考电压源可以通过软件配置为1.15 V、2.048 V或2.5 V的输出电压，并且经过校准以确保高初始精度和低温度漂移，典型漂移为10 ppm/°C。在多个ADS7870共享一个公共参考的情况下，也可以使用外部参考电压源。

（四）串行接口

串行接口兼容SPI、QSPI、Microwire和8051系列协议，无需额外的胶合逻辑。这使得ADS7870能够方便地与各种微控制器和数字信号处理器（DSP）进行通信。

（五）其他特性

• 吞吐量速率可达52 kSamples/sec，能够满足高速数据采集的需求。
• 具有错误过载指示器，方便用户及时发现数据采集过程中的异常情况。
• 可编程输出2s补码/二进制格式，适应不同的应用需求。
• 支持2.7 - 5.5 V的单电源供电，降低了功耗和系统复杂度。
• 提供4位数字I/O接口，可通过串行接口进行控制。
• 引脚与ADS7871兼容，方便用户进行升级和替换。
• 采用SSOP - 28封装，节省了电路板空间。

三、电气特性

（一）模拟输入特性

• 输入电压范围为 -0.2 V至VDD + 0.2 V，确保了在不同信号条件下的稳定工作。
• 输入电容在4 - 9.7 pF之间，输入阻抗在共模模式下为6 MΩ，差分模式下为7 MΩ，减少了对信号源的影响。
• 通道间串扰在60 Hz、2 Vpp信号下小于 -100 dB，保证了多通道采集时的信号隔离度。
• 最大泄漏电流小于100 pA，降低了功耗和信号干扰。

（二）静态精度特性

• 分辨率为12位，无丢失码，保证了数据采集的准确性。
• 积分线性度误差在 -2.5至 +2.5 LSB之间，差分线性度误差在 ±0.5 LSB之间，确保了线性度和精度。
• 偏移误差在 -6至 +6 LSB之间，满量程增益误差在 -0.25至 +0.25 %FSR之间，保证了测量的准确性。
• 内部参考直流共模抑制比在92 dB以上，电源抑制比在86 dB以上，提高了系统的抗干扰能力。

（三）动态特性

• 吞吐量速率在连续模式和地址模式下均可达52 ksample/s，满足高速采集需求。
• 外部时钟CCLK频率范围为0.1 - 20 MHz，内部振荡器频率为2.5 MHz，串行接口时钟SCLK频率可达20 MHz，提供了灵活的时钟配置选项。
• 数据建立时间和保持时间均为10 ns，确保了数据传输的稳定性。

（四）数字输入输出特性

• 数字输入逻辑电平满足标准要求，低电平输入电压VIL小于0.8 V，高电平输入电压VIH在VDD ≤ 3.6 V时为2 V，VDD > 3.6 V时为3 V。
• 数字输出逻辑电平稳定，低电平输出电压VoL在不同负载电流下有明确的规定，高电平输出电压VoH在不同负载电流下也能保持稳定。
• 输出泄漏电流小于1 μA，输出电容为5 pF，减少了对后续电路的影响。

（五）电压参考和缓冲特性

• 参考电压输出精度高，误差在 -0.25至 +0.25 %FSR之间，输出驱动能力为 ±0.6 μA。
• 参考缓冲器输入电压范围为0.9 V至VDD - 0.2 V，输入阻抗为1000 GΩ，输入偏移在 -10至 +10 mV之间。
• 输出电压精度随温度变化小，在 -0.25至 +0.25 %FSR之间，输出驱动能力为20 mA。

（六）电源要求

• 电源电压范围为2.7 - 5.5 V，不同采样速率下的电源电流和功耗不同。在1 - kHz采样速率下，电源电流为0.45 mA，功耗为2.25 mW；在50 - kHz采样速率下，电源电流为1.2 - 1.7 mA，功耗为6 - 8.5 mW。
• 掉电模式下，电源电流小于1 μA，功耗小于5 μW，大大降低了功耗。

四、功能描述

（一）多路复用器

ADS7870的8个模拟信号输入引脚（LN0 - LN7）通过模拟开关网络连接到多路复用器。这些输入引脚可以配置为8通道单端输入、4通道差分输入或它们的组合。通过设置增益/多路复用器寄存器中的4位，可以控制开关的状态，实现不同输入通道的选择。此外，输入引脚的差分极性可以通过MUX地址中的M2位进行改变，方便用户调整转换结果的极性。

（二）转换时钟

转换时钟（CCLK）及其衍生信号被用于电压参考源、PGA和A/D转换器。CCLK引脚可以作为输入或输出。当OSC ENABLE引脚为低电平时，CCLK引脚作为输入，ADS7870依赖外部时钟进行转换；当OSC ENABLE引脚为高电平时，内部振荡器和内部缓冲器被启用，CCLK引脚作为输出。内部参考源需要连续的时钟信号，可以由内部振荡器独立提供。为了降低功耗，PGA和A/D的偏置可以根据需要开启和关闭，但振荡器、参考源和缓冲器在启用后会持续运行。

（三）电压参考和缓冲放大器

ADS7870采用了专利的开关电容带隙参考电路，该电路具有曲率校正功能，可以通过软件配置输出1.15 V、2.048 V或2.5 V的电压。内部参考输出（VREF）不能直接驱动典型负载，需要使用单独的缓冲放大器来提供负载电流。内部参考缓冲器可以快速为连接到其输出的滤波电容充电，但通常只能吸收200 μA的电流。为了提高缓冲器从正向噪声尖峰中恢复的能力，可以在REFIN引脚与地之间连接一个电阻，但这会增加功耗。

（四）可编程增益放大器

PGA提供了1、2、4、5、8、10、16和20 V/V的增益选择，是一种单电源、轨到轨输入、自动调零、基于电容的仪表放大器。PGA的增益由寄存器4中的G2 - G0位设置。当PGA输出达到削波或非线性工作状态时，输出数据的最低有效位（OVR）会被置为1，方便用户检测故障。用户可以通过读取寄存器2来确定转换过程中存在的故障条件，这对于自动量程应用非常有用。

（五）模数转换器

ADS7870中的12位A/D转换器是逐次逼近型的，默认输出为2s补码格式。根据不同的程序配置，转换结果可以通过多种方式读取。在差分输入配置下，A/D转换函数为 -2048 ≤ Code ≤ 2047，对应输入电压范围为 -VREF/G ≤ VIN ≤ (VREF - 1 LSB)/G；在单端输入配置下，A/D转换函数为0 ≤ Code ≤ 2047，对应输入电压范围为0 ≤ VIN ≤ (VREF - 1 LSB)/G。

（六）转换周期

一个转换周期需要48个DCLK周期（DCLK = CCLK/DF），其中PGA操作需要36个DCLK周期，用于捕获输入信号、自动调零、电平转换和放大输入信号。逐次逼近寄存器（SAR）转换器需要最后12个DCLK周期。为了获得最大采样速率，输入命令和输出数据必须在这个周期内进行通信，但为了获得最佳性能，不建议这样做。在转换周期内，所选MUX输入的内部电容负载会在6 pF和9.7 pF之间变化。为了减少输入信号的毛刺和干扰，可以在差分输入之间连接一个10 - nF至100 - nF的电容，该电容还可以与信号源阻抗一起作为抗混叠滤波器。当信号源阻抗大于2 kΩ时，需要更长的建立时间，因此应相应降低CCLK频率。为了实现最低功耗，每个功能所需的偏置会在转换过程中按需开启、稳定并运行。

（七）启动A/D转换周期

有四种方式可以启动ADS7870的转换：

1. 发送直接模式指令。
2. 向寄存器4写入CNV位为1。
3. 向寄存器5写入CNV位为1，下一次转换将排队等待当前转换完成。
4. 断言CONVERT引脚（逻辑高），新的转换周期将在CCLK的第二个有效边沿开始。

（八）串行接口

ADS7870通过数字串行端口接口与微处理器和其他外部电路进行通信，它与多种流行的微控制器和数字信号处理器（DSP）兼容，如TI的TMS320、MSC1210和MSP430产品系列，以及其他厂商的产品，如Motorola 68HC11、Intel 80C51和MicroChip PIC系列。串行接口由四个主要引脚组成：SCLK（串行位时钟）、DIN（串行数据输入）、DOUT（串行数据输出）和CS（芯片选择）。SCLK同步数据传输，每个位在SCLK的下降或上升沿传输，具体取决于RISE/FALL引脚的设置。SDIN也可以用作串行数据输出线。此外，BUSY引脚用于指示转换是否正在进行，CONVERT引脚用于启动转换周期，RESET引脚用于复位设备。

（九）操作模式

ADS7870的串行接口有两种操作模式：直接模式和寄存器模式。在直接模式（指令字的D7位为1）下，发送一个8位指令字节可以启动一次转换，并设置多路复用器的配置和PGA的增益。在寄存器模式（指令字的D7位为0）下，可以对指定的寄存器进行读写操作，从而控制ADS7870的各种功能和特性。

（十）寄存器概述

ADS7870共有十个用户可访问的寄存器，这些寄存器用于配置和控制设备的各种功能。以下是对这些寄存器的简要介绍：

1. A/D输出数据寄存器（地址0和1）：存储A/D转换结果的最低有效字节和最高有效字节。
2. PGA有效寄存器（地址2）：包含PGA的六个比较器的结果，用于指示PGA输入和输出电压是否超出允许范围。
3. A/D控制寄存器（地址3）：配置CCLK分频器和自动回读模式选项。
4. 增益/多路复用器寄存器（地址4）：包含输入通道选择信息和PGA增益设置位，还可以通过设置CNV/BSY位启动转换。
5. 数字I/O状态寄存器（地址5）：存储四个数字I/O引脚的状态，也可以通过设置CNV/BSY位启动转换。
6. 数字I/O控制寄存器（地址6）：确定四个数字I/O引脚是作为输入还是输出。
7. 参考/振荡器控制寄存器（地址7）：控制内部振荡器的开启和关闭、内部电压参考源和缓冲器的开启和关闭，以及参考电压的选择。
8. 串行接口控制寄存器（地址24）：控制数据的传输顺序（MSB或LSB优先）、串行接口的工作模式（2线或3线），以及与8051型微处理器接口的时序控制。
9. ID寄存器（地址31）：只读寄存器，用于识别ADS7870的版本。

（十一）复位操作

有三种方式可以复位ADS7870：

1. 循环供电，但电源关闭时间必须足够长，以允许内部节点放电。
2. 切换RESET引脚，最小脉冲宽度为50 ns。
3. 向寄存器0写入一个8位字节。

当CS信号为高电平时，仅串行接口会被复位和禁用。如果CS持续为低电平，并且通过向寄存器0写入一个8位字节来复位ADS7870，那么DIN引脚的下一个1输入将作为串行接口的同步位。在某些应用中，如果CS不能循环，并且系统同步丢失，可以通过写入39个0和一个1来复位ADS7870。需要注意的是，嘈杂的SCLK信号可能会导致ADS7870意外复位，可以在SCLK引脚串联一个100 - Ω的电容来解决这个问题。

（十二）读写操作

1. 写操作

要执行写操作，首先需要向ADS7870写入一个指令字节，该指令字节确定目标寄存器和字长（8位或16位）。在第一个有效SCLK边沿（上升或下降沿，取决于RISE/FALL引脚的状态）之前，CS引脚必须被置为低电平。指令字节的剩余7位将在接下来的7个有效SCLK边沿被锁存。CS引脚在整个操作过程中必须保持低电平，否则串行接口将被复位。当通过设置增益/多路复用器寄存器或数字I/O寄存器中的CNV/BSY位启动转换时，转换将在写操作的最后一个有效SCLK边沿之后的第二个DCLK下降沿开始。

2. 读操作

读操作与写操作类似，不同之处在于数据流向是从ADS7870到主机控制器。在指令字节被锁存（在第八个有效SCLK边沿）后，DOUT引脚（在2线模式下还有DIN引脚）将在接下来的非有效SCLK边沿开始驱动数据，以便主机控制器在接下来的有效SCLK边沿获得有效数据。在读取操作完成后，ADS7870准备好接收下一个指令字节。

（十三）多路复用器寻址

在启动转换指令或增益/多路复用器寄存器（地址4）中，最后4位用于分配多路复用器的配置。输入通道可以配置为差分或单端模式，在差分模式下，输入信号的极性可以通过M2位进行反转。在单端模式下，所有输入通道都相对于系统地（引脚25）进行测量。

五、应用信息

（一）所需支持元件

为了确保ADS7870的性能，需要进行良好的电源旁路。在电源线上并联一个低ESR陶瓷电容和一个大值电解电容可以提供所需的性能，典型值分别为0.1 μF和10 μF。在VREF引脚与地之间连接一个约0.01 μF的陶瓷电容可以改善内部电压参考电路的噪声性能，但增加该电容的值可能会增加启动后的稳定时间。如果使用内部缓冲放大器，必须在其输出端连接一个滤波电容到地，以确保稳定性，标称值为0.47 μF，取值范围在0.1 μF至10 μF之间。在一个ADS7870缓冲器驱动多个设备的情况下，应在每个从设备处安装一个0.1 μF的额外滤波电容。

（二）微控制器连接

ADS7870可以方便地与各种微控制器连接，下面以Motorola M68HC11和Intel 80C51为例进行介绍：

1. Motorola M68HC11（SPI）

M68HC11具有一个三线（如果算上从设备选择则为四线）串行接口，通常称为SPI。由于ADS7870不支持全双工操作，只能进行读写操作。为了与M68HC11兼容，ADS7870的RISE/FALL引脚可以根据M68HC11的需求设置，接口控制寄存器中的2W/3W位、LSB位和8051位应清零。在实际连接中，可能需要在DOUT引脚添加一个上拉电阻，以防止在写操作期间DOUT引脚浮空。如果需要，可以将CS引脚永久接地，但此时ADS7870必须是唯一的外设。

2. Intel 80C51

80C51在串行端口模式0下具有一个两线（如果使用额外的I/O引脚作为CS