AD7190：高精度测量应用的理想选择

在电子工程师的设计工作中，高精度模拟到数字的转换至关重要。ADI公司的AD7190，一款4.8 kHz超低噪声24位Σ - Δ ADC，凭借其出色的性能和丰富的功能，成为了众多高精度测量应用的理想选择。今天，我们就来深入了解一下这款芯片。

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一、AD7190的特性亮点

1. 低噪声与高分辨率

AD7190的噪声性能非常出色，在4.7 Hz、增益为128时，RMS噪声仅为8.5 nV，在2.4 kHz、增益为128时，能达到16位无噪声位，增益为1时，最高可达22.5位无噪声位。这使得它在处理微弱信号时表现卓越，能够满足高精度测量的需求。

2. 低漂移特性

其偏移漂移为5 nV/°C，增益漂移为1 ppm/°C，并且有指定的随时间漂移特性。这种低漂移特性保证了芯片在不同环境条件下的稳定性，减少了因温度变化等因素导致的测量误差。

3. 多通道与灵活配置

芯片拥有2个差分或4个伪差分输入通道，并配备自动通道排序器。这使得它可以同时处理多个信号源，并且能够根据需要灵活配置输入通道，大大提高了系统的集成度和灵活性。

4. 可编程增益与输出数据率

可编程增益范围为1到128，输出数据率可在4.7 Hz至4.8 kHz之间调整。这种灵活性使得AD7190能够适应不同的应用场景，满足各种信号处理的需求。

5. 电源与温度范围

模拟电源AVDD范围为4.75 V至5.25 V，数字电源DVDD范围为2.7 V至5.25 V，工作电流为6 mA，温度范围为 - 40°C至 + 105°C。这些参数表明它具有较好的电源适应性和温度稳定性，能够在较为恶劣的环境中正常工作。

6. 接口兼容性

采用3线串行接口，与SPI、QSPI™、MICROWIRE™和DSP兼容，并且SCLK上有施密特触发器。这种接口设计方便与各种微控制器和数字信号处理器连接，简化了系统设计。

7. 汽车应用资质

AD7190通过了汽车应用认证，这意味着它在汽车电子等对可靠性要求极高的领域也能得到广泛应用。

二、AD7190的功能模块

1. 模拟输入通道

AD7190有两个差分或四个伪差分模拟输入通道，可选择缓冲或非缓冲模式。在缓冲模式下，输入通道连接到缓冲放大器的高阻抗输入级，能容忍较大的源阻抗，适合直接连接外部电阻式传感器，如应变计或电阻温度探测器（RTD）。非缓冲模式下，模拟输入电流会增大，并且输入路径会给驱动源带来动态负载，使用时需要注意外部电阻/电容组合可能引入的增益误差。

2. 可编程增益放大器（PGA）

PGA的存在使得小幅度信号能够在AD7190内部进行放大，同时保持出色的噪声性能。通过配置寄存器中的G2 - G0位，可以将增益设置为1、8、16、32、64或128。在不同增益设置下，配合外部参考电压，可实现不同的输入范围，满足多样化的应用需求。

3. 滤波器与输出数据率

AD7190有sinc3和sinc4两种滤波器可供选择，通过模式寄存器中的SINC3位进行选择。在低输出数据率（<1 kHz）时，两种滤波器的无噪声分辨率相当；但在较高输出数据率下，sinc4滤波器的无噪声分辨率更好，且对50 Hz和60 Hz的抑制能力更强。

输出数据率与滤波器类型、时钟频率以及模式寄存器中的FS[9:0]值有关。在不同的工作模式（斩波启用或禁用）下，输出数据率和建立时间的计算公式不同。例如，斩波禁用时，sinc4滤波器的建立时间为 (t{SETTLE }=4 / f{ADC }) ，sinc3滤波器的建立时间为 (t{SETTLE }=3 / f{ADC}) ；斩波启用时，输出数据率会降低，但建立时间会减少。

4. 时钟源

芯片内部集成了一个4.92 MHz的时钟，其容差为±4%。可以通过模式寄存器中的CLK1和CLK0位选择使用内部时钟或外部晶体/时钟作为时钟源。使用外部晶体时，需将其连接在MCLK1和MCLK2引脚之间；使用外部时钟源时，将其连接到MCLK2引脚，MCLK1引脚浮空。内部时钟还可以在MCLK2引脚输出，方便多个ADC同步工作。

5. 校准功能

AD7190提供四种校准模式：内部零刻度校准、内部满刻度校准、系统零刻度校准和系统满刻度校准。校准可以在任何时候通过设置模式寄存器中的MD2 - MD0位进行。校准对于减少偏移误差和增益误差非常重要，特别是在增益改变时，建议进行校准操作。

6. 其他功能

• 参考检测：通过配置寄存器中的REFDET位启用参考检测功能，当所选参考电压在0.3 V至0.6 V之间时，状态寄存器中的NOREF位会置1，此时转换结果会被钳位为全1。
• 温度传感器：芯片内部集成了温度传感器，通过配置寄存器中的CH2位启用。在双极性模式下，温度为0 K时，传感器应返回代码0x800000。经过单点校准后，传感器的典型精度为±2 °C。
• 桥接电源关断开关：在桥接应用中，如应变计和称重传感器，桥接电源关断开关可用于在不使用时断开桥接电路，以减少系统电流消耗。开关能承受30 mA的连续电流，最大导通电阻为10 Ω。
• 逻辑输出：AD7190有四个通用数字输出引脚P0 - P3，通过GPOCON寄存器中的GP32EN和GP10EN位启用。这些引脚的逻辑电平由AVDD决定，可用于驱动外部电路，如外部多路复用器。

三、AD7190的应用场景

1. 称重秤

在称重秤应用中，AD7190可以直接连接到称重传感器的桥接网络。传感器的差分输出电压可以作为AD7190的输入，桥接的激励电压可以直接作为ADC的参考电压。同时，桥接电源关断开关可以在不进行测量时断开桥接电路，降低系统功耗。此外，为了减少调制器采样频率及其倍数处的噪声，建议在每个模拟输入上添加R - C抗混叠滤波器。

2. 应变计传感器

应变计传感器输出的微弱信号可以通过AD7190的PGA进行放大，然后进行高精度的数字转换。其低噪声和高分辨率特性能够准确测量应变计的微小变化，适用于工业测量和结构监测等领域。

3. 压力测量

在压力测量应用中，AD7190可以将压力传感器的模拟信号转换为数字信号。其对50 Hz和60 Hz的良好抑制能力可以减少工频干扰，提高测量的准确性。

4. 温度测量

利用芯片内部的温度传感器，可以实现对环境温度的测量。经过校准后，能够满足一定精度要求的温度监测需求。

5. 色谱分析

在色谱分析中，需要对微弱的信号进行高精度测量。AD7190的低噪声和高分辨率特性使其能够准确检测色谱信号，为分析结果提供可靠的数据支持。

6. PLC/DCS模拟输入模块

在可编程逻辑控制器（PLC）和分布式控制系统（DCS）中，AD7190可以作为模拟输入模块的核心部件，将各种模拟信号转换为数字信号，实现对工业过程的精确控制。

7. 医疗和科学仪器

在医疗和科学仪器领域，对测量精度和稳定性要求极高。AD7190的出色性能能够满足这些应用的需求，例如在生物医学信号检测、实验室仪器等方面都有广泛的应用前景。

四、设计注意事项

1. 接地与布局

由于AD7190的模拟输入和参考输入是差分的，为了减少共模噪声，需要将模拟和数字部分分开布局，并使用独立的接地平面。同时，要注意避免数字电流流经模拟地，避免在芯片下方铺设数字线路，防止噪声耦合。电源供应线路应尽可能宽，以降低阻抗，减少电源线上的干扰。

2. 滤波与去耦

在每个模拟输入引脚连接R - C滤波器，以抑制调制器采样频率处的噪声。同时，对模拟和数字电源进行适当的去耦，将去耦电容尽可能靠近芯片放置，以提高电源的稳定性。

3. 校准操作

在使用过程中，特别是在增益改变时，要及时进行校准操作，以确保测量的准确性。校准过程需要根据不同的校准模式和工作条件，合理安排校准时间和顺序。

五、总结

AD7190以其低噪声、高分辨率、灵活的配置和丰富的功能，为高精度测量应用提供了一个强大的解决方案。无论是在工业控制、传感器测量还是汽车电子等领域，它都能发挥重要作用。作为电子工程师，在设计过程中充分了解和利用AD7190的特性，结合合理的布局和校准操作，能够设计出性能卓越的系统。你在使用AD7190的过程中遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。