德州仪器ADS7871：低功耗数据采集系统的理想之选

在电子工程师的设计工作中，数据采集系统是一个关键环节。德州仪器（TI）的ADS7871作为一款完整的低功耗数据采集系统芯片，具有诸多出色的特性，能够满足多种应用场景的需求。下面我们就来详细了解一下这款芯片。

文件下载：ADS7871IDB.pdf

一、ADS7871的特性亮点

1. 增益灵活可编程

ADS7871的可编程增益放大器（PGA）提供了1、2、4、5、8、10、16、20 V/V的增益选择。这种丰富的增益选项使得它能够适应不同幅度的输入信号，对于低至125 mV的信号也能产生满量程的数字输出，无需在信号源和A/D输入之间进行外部放大或阻抗缓冲，大大简化了电路设计。

2. 多样的输入配置

它支持多达4通道差分输入、8通道单端输入或两者的组合。这种灵活的输入配置方式可以根据具体的应用需求进行选择，满足不同的信号采集要求。

3. 内部参考电压

芯片内部集成了1.15-V、2.048-V或2.5-V的参考电压，并且经过微调，具有较高的初始精度和温度稳定性，典型漂移为10 ppm/°C。在多个ADS7871共享一个公共参考的情况下，也可以使用外部参考。

4. 兼容的串行接口

ADS7871采用SPI/DSP兼容的串行接口（≤20 MHz），支持SPI、QSPI、Microwire和8051-family等协议，无需额外的胶合逻辑，方便与各种微控制器进行连接。

5. 高吞吐量

芯片的吞吐量速率可达48 kSamples/sec，能够快速准确地采集数据，满足实时性要求较高的应用场景。

6. 错误过载指示

具备错误过载指示器，能够及时反馈PGA输出是否出现削波或非线性操作的情况，方便工程师进行故障排查和系统优化。

7. 可编程输出格式

输出数据可以选择2s补码或二进制格式，并且可以通过串行接口进行4位数字I/O操作，增加了系统的灵活性。

8. 宽电源电压范围

支持2.7-V至5.5-V的单电源供电，适用于多种电源环境，降低了电源设计的难度。

9. 引脚兼容

ADS7871与ADS7870引脚兼容，方便工程师在现有设计中进行替换和升级。

10. 小封装

采用SSOP-28封装，体积小巧，适合对空间要求较高的应用场景。

二、应用领域广泛

1. 便携式电池供电系统

由于其低功耗的特性，ADS7871非常适合用于便携式电池供电系统，能够有效延长电池的使用寿命。

2. 低功耗仪器仪表

在低功耗仪器仪表中，ADS7871可以准确地采集各种信号，为仪器的正常运行提供可靠的数据支持。

3. 低功耗控制系统

在低功耗控制系统中，它能够快速采集数据并进行处理，实现对系统的精确控制。

4. 智能传感器应用

与智能传感器配合使用时，ADS7871可以将传感器采集到的模拟信号转换为数字信号，方便后续的数据分析和处理。

三、电气特性分析

1. 模拟输入特性

• 输入电压范围：在线性操作时，输入电压范围为 -0.2 V至VDD + 0.2 V。
• 输入电容：输入电容在转换周期内会发生变化，正常情况下为4 pF。
• 输入阻抗：共模输入阻抗和差模输入阻抗分别为7 MΩ。
• 通道间串扰：在VI = 2 VPP、60 Hz的测试条件下，通道间串扰可达100 dB。
• 最大泄漏电流：最大泄漏电流为100 pA。

2. 静态精度特性

• 分辨率：分辨率为14位，能够提供较高的测量精度。
• 无漏码：在增益为1至20 V/V的范围内，无漏码位数为13位。
• 积分线性度：积分线性度在 -4至±2 LSB之间。
• 差分线性度：差分线性度在 -2至±0.5 LSB之间。
• 偏移误差：偏移误差在 -24至±1 LSB之间。
• 满量程增益误差：在不同的增益和配置下，满量程增益误差有所不同，但都在较小的范围内。

3. 动态特性特性

• 吞吐量速率：连续模式下单通道和不同通道的吞吐量速率均可达48 ksample/s。
• 内部振荡器频率：内部振荡器频率为2.5 MHz。
• 串行接口时钟：串行接口时钟SCLK最大可达20 MHz。
• 数据设置时间和保持时间：数据设置时间和保持时间均为10 ns。

4. 数字输入输出特性

• 逻辑电平：低电平输入电压VIL最大为0.8 V，高电平输入电压VIH根据VDD的不同而有所变化。
• 输入电流：低电平输入电流IIL和高电平输入电流IIH均为1 μA。
• 数据编码：数据编码为二进制2s补码。
• 输出电压：低电平输出电压VOL和高电平输出电压VOH在不同的负载电流下有不同的值。
• 泄漏电流：高阻态下的泄漏电流最大为1 μA。
• 输出电容：输出电容为5 pF。

5. 电压参考特性

• 参考电压：参考电压可以设置为1.15 V、2.048 V或2.5 V，输出精度较高。
• 输出驱动：输出驱动能力为±0.6 μA。

6. 参考缓冲器特性

• 输入电压：输入电压范围为0.9 V至VDD - 0.2 V。
• 输入阻抗：输入阻抗为1000 GΩ。
• 输入偏移：输入偏移在 -10至±1 mV之间。
• 输出电压精度与温度：输出电压精度与温度的关系在 -0.25至±0.05 %FSR之间，温度系数为10至50 ppm/°C。
• 输出驱动：输出驱动能力为20 mA。

7. 电源要求特性

• 电源电压：电源电压范围为2.7 V至5.5 V。
• 电源电流：在不同的采样速率和工作模式下，电源电流有所不同。
• 功耗：功耗也会随着采样速率和工作模式的变化而变化。

8. 温度范围特性

• 工作温度范围：工作温度范围为 -40 °C至85 °C。
• 存储温度范围：存储温度范围为 -65 °C至150 °C。
• 热阻：热阻为65 °C/W。

四、功能模块详解

1. 多路复用器（MUX）

ADS7871的多路复用器有8个模拟信号输入引脚（LN0 - LN7），可以配置为8个单端输入、4个差分输入或其他组合。通过Gain/Mux寄存器中的4位来控制开关，并且可以通过MUX地址中的M2位改变输入引脚的差分极性，方便调整转换结果的极性。同时，输入引脚具有ESD保护电路，在输入电压超出绝对最大电压范围时，需要串联电阻来限制电流。

2. 转换时钟（CCLK）

转换时钟（CCLK）及其衍生信号被电压参考、PGA和A/D转换器使用。CCLK引脚可以作为输入或输出，通过OSC ENABLE引脚进行控制。当OSC ENABLE为低时，CCLK为输入；当OSC ENABLE为高时，内部振荡器和内部缓冲器启用，CCLK为输出。此外，内部参考需要连续时钟，可以通过设置OSCR和REFE位来实现。ADS7871还采用了电源节省技术，根据需要开启和关闭PGA和A/D的偏置，但振荡器、参考和缓冲器在启用后会持续运行。串行接口时钟独立于转换时钟，可以通过设置寄存器3中的位来对时钟进行分频，以满足不同的应用需求。

3. 电压参考和缓冲放大器

ADS7871采用了专利的开关电容带隙参考实现方式，具有曲率校正功能，可通过软件配置输出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（REFBUF）可以快速为滤波电容充电，但吸收电流能力较弱。在REFIN引脚有显著噪声时，可以通过连接电阻到地来提高缓冲器的抗干扰能力，但会增加功耗。

4. 可编程增益放大器（PGA）

PGA提供1、2、4、5、8、10、16、20 V/V的增益，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。通过寄存器4中的G2 - G0位设置增益。当PGA输出出现削波或非线性操作时，输出数据的最低有效位（OVL位）会被置为1，方便检测故障。同时，OVL位也有助于自动量程应用，指示系统控制器尝试降低PGA增益。

5. A/D转换器

ADS7871中的14位A/D转换器是逐次逼近型，输出为2s补码格式，可以通过串行接口以MSB或LSB优先的方式读取。在不同的输入配置下，A/D转换器具有不同的传输函数。

6. 转换周期

一个转换周期需要50个DCLK（DCLK = CCLK/DF），其中PGA操作需要36个DCLK，SAR转换器需要14个DCLK。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干扰，可在差分输入之间连接10 - 100 nF的电容。对于源阻抗大于2 kΩ的情况，需要相应降低CCLK以保证足够的建立时间。为了实现最小功耗，每个功能所需的偏置仅在转换期间开启和运行。

7. 启动A/D转换周期

文档中虽未详细提及启动A/D转换周期的具体内容，但从前面的介绍可以推测，可能通过CONVERT引脚的0到1转换来启动转换周期。

五、总结与思考

ADS7871作为一款功能强大的低功耗数据采集系统芯片，在多个方面表现出色。其丰富的特性和灵活的配置方式使其适用于多种应用场景。然而，在实际应用中，工程师还需要根据具体的需求和系统环境，合理选择芯片的参数和配置，以充分发挥其性能优势。例如，在选择输入配置时，需要考虑信号的类型和幅度；在设置转换时钟时，需要平衡采样速率和功耗之间的关系。同时，对于芯片的电气特性和功能模块的理解，也有助于工程师更好地进行电路设计和故障排查。那么，在你的实际项目中，是否遇到过类似的数据采集系统设计问题呢？你又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。