德州仪器ADS7871：14位48KSPS数据采集系统的深度剖析

在电子工程师的日常工作中，数据采集系统是一个至关重要的组成部分。今天，我们将深入探讨德州仪器（Texas Instruments）的ADS7871，一款功能强大的14位、48KSPS数据采集系统，它集成了模数转换器（ADC）、多路复用器（MUX）、可编程增益放大器（PGA）和参考电压源等多种功能。

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一、关键特性

1. 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，能够适应不同幅度的输入信号。对于低电平信号，无需在信号源和A/D输入之间进行外部放大或阻抗缓冲，因为PGA具有高输入阻抗、出色的增益精度、良好的共模抑制和低噪声特性。其失调电压会自动归零，低至125 mV的信号也能产生满量程数字输出。

2. 可编程输入配置

支持多达4通道差分输入、8通道单端输入或它们的组合，提供了灵活的输入配置选项，以满足不同应用场景的需求。

3. 内部参考电压

具备1.15 V、2.048 V或2.5 V的内部参考电压，经过微调以确保高初始精度和温度稳定性，典型漂移为10 ppm/°C。在多个ADS7871共享公共参考的情况下，也可以使用外部参考电压。

4. 串行接口

SPI/DSP兼容的串行接口（≤20 MHz），支持SPI、QSPI、Microwire和8051 - 家族协议，无需额外的胶合逻辑。

5. 高吞吐量

吞吐量速率可达48 kSamples/sec，能够快速采集数据。

6. 错误过载指示

提供错误过载指示器，方便工程师及时发现和处理异常情况。

7. 可编程输出格式

输出可以编程为2s补码或二进制格式。

8. 单电源供电

支持2.7 V至5.5 V的单电源操作，适用于各种电源环境。

9. 4位数字I/O

通过串行接口提供4位数字输入/输出，方便与其他设备进行通信。

10. 引脚兼容

与ADS7870引脚兼容，便于进行升级和替换。

11. 封装形式

采用SSOP - 28封装，体积小巧，适合空间受限的应用。

二、应用领域

1. 便携式电池供电系统

由于其低功耗特性，ADS7871非常适合用于便携式设备，如手持仪器、移动医疗设备等，能够延长电池续航时间。

2. 低功耗仪器仪表

在低功耗的仪器仪表中，如传感器数据采集系统、环境监测设备等，ADS7871可以提供高精度的数据采集功能。

3. 低功耗控制系统

在工业控制、智能家居等领域的低功耗控制系统中，ADS7871能够准确采集传感器数据，为系统的控制决策提供依据。

4. 智能传感器应用

与各种智能传感器配合使用，实现数据的采集和处理，提高传感器的智能化水平。

三、详细描述

1. 整体架构

ADS7871是一款单芯片的低功耗数据采集系统，由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、14位逐次逼近型模数转换器和精密电压参考源组成。

2. 多路复用器（MUX）

ADS7871有8个模拟信号输入引脚（LN0 - LN7），通过模拟开关网络（MUX块）进行控制。这些输入可以配置为8个单端输入、4个差分输入或它们的组合。输入信号的线性范围为GND - 0.2 V至 (V_{DD}+0.2 V) ，并且可以通过命令改变差分信号的极性。输入引脚还配备了ESD保护电路，以防止静电损坏。

3. 转换时钟（CCLK）

电压参考源、PGA和A/D转换器都使用转换时钟（CCLK）及其衍生信号。CCLK引脚可以作为输入或输出。当OSC ENABLE引脚为低电平时，CCLK为输入，ADS7871依靠外部时钟进行转换；当OSC ENABLE为高电平或寄存器7中的OSCE位（D4）设置为1时，内部振荡器和内部缓冲器启用，CCLK引脚作为输出。内部参考源需要连续时钟，可以由内部振荡器独立提供。ADS7871还可以对CCLK信号进行分频，以满足不同的工作频率需求，最大DCLK频率为2.5 MHz，最小DCLK频率为100 kHz。

4. 电压参考和缓冲放大器

ADS7871采用了带隙参考的专利开关电容实现方式，其输出电压可以通过软件配置为1.15 V、2.048 V或2.5 V（默认）。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）可以提供数十毫安的电流来快速充电滤波电容，但通常只能吸收200 µA的电流。

5. 可编程增益放大器（PGA）

PGA提供1、2、4、5、8、10、16和20 V/V的增益，是一种单电源、轨到轨输入、自动归零、基于电容的仪表放大器。通过监测输出数据的最低有效位（OVL位），可以检测PGA输出是否达到削波或非线性操作。当OVL位为1时，表示可能存在故障，这有助于系统进行自动量程调整。

6. 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。根据输入多路复用器的配置，A/D转换器具有不同的传输函数：

• 差分输入时： (-8192 leq Code leq 8191) ，对于 (frac{-V{REF }}{G} leq V{IN } leq frac{V_{REF}-1 LSB}{G})
• 单端输入时： (0 leq Code leq 8191) ，对于 (0 leq V{IN} leq frac{V{REF}-1 LSB}{G})

7. 转换周期

一个转换周期需要50个DCLK，其中PGA操作需要36个DCLK，用于捕获输入信号、自动归零、电平转换和放大输入信号；逐次逼近寄存器（SAR）转换器需要14个DCLK。在转换周期内，所选MUX输入的内部电容负载在6 pF至9.7 pF之间变化。为了减少DCLK转换时的电压变化，建议在差分输入之间连接一个10 - nF至100 - nF的电容，同时起到滤波和抗混叠的作用。对于源阻抗大于2 kΩ的情况，需要相应降低CCLK频率以确保足够的建立时间。

四、电气特性

1. 模拟输入特性

• 输入电压范围：线性操作时为 (-0.2 V) 至 (V_{DD}+0.2 V)
• 输入电容：约4 pF
• 输入阻抗：共模为7 MΩ，差分为7 MΩ
• 通道间串扰：在 (VI = 2 VPP) 、60 Hz时为100 dB
• 最大泄漏电流：100 pA

2. 静态精度

• 分辨率：14位
• 无缺失码：13位（增益1 - 20 V/V）
• 积分线性度： (-4) 至 (± 2) 至4 LSB（增益1 - 20 V/V）
• 差分线性度： (-2) 至 (± 0.5) 至4 LSB（增益1 - 20 V/V）
• 失调误差： (-24) 至 (± 1) 至24 LSB（增益1 - 20 V/V）
• 满量程增益误差：根据不同的增益和配置，范围在 (-0.4) 至 (0.4) %FSR之间

3. 动态特性

• 吞吐量速率：连续模式下单通道为48 ksample/s，地址模式下不同通道也可达48 ksample/s
• 内部振荡器频率：2.5 MHz
• 串行接口时钟（SCLK）：最大20 MHz
• 数据建立时间：10 ns
• 数据保持时间：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) 不同分别为2 V（ (VDD ≤ 3.6 V) ）和3 V（ (VDD > 3.6 V) ）
• 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：二进制2s补码
• 低电平输出电压 (VOL) ：根据负载电流不同，分别为0.4 V（ (ISINK = 5 mA) ）和0.8 V（ (ISINK = 16 mA) ）
• 高电平输出电压 (VOH) ： (ISOURCE = 5 mA) 时为4.6 V
• 泄漏电流：高阻态下 (VO = 0 V) 至 (VDD) 时为1 LA
• 输出电容：5 pF

5. 电压参考特性

• 输出电压精度：在不同的参考电压设置下，误差范围在 (-0.25) 至 (±0.05) 至0.25 %FSR之间
• 输出驱动： (±0.6) uA

6. 参考缓冲器特性

• 输入电压范围：0.9 V至 (VDD - 0.2 V)
• 输入阻抗：1000 GΩ
• 输入失调： (-10) 至 (±1) 至10 mV
• 输出电压精度与温度关系：在 (VREF = 2.048 V) 和2.5 V时，误差范围在 (-0.25) 至 (±0.05) 至0.25 %FSR之间，温度系数为10至50 ppm/°C
• 输出驱动：20 mA

7. 电源要求

• 电源电压：2.7 V至5.5 V
• 电源电流：1 - kHz采样率时，REF和BUF开启、内部振荡器开启为1.2 mA；48 - kHz采样率时，REF和BUF开启、外部CCLK为1.7至2 mA；掉电模式下为1 uA
• 功耗：1 - kHz采样率时为6 mW；48 - kHz采样率时为8.5至11 mW；掉电模式下为5 μW

8. 温度范围

• 工作温度范围： (-40^{circ} C) 至85 °C
• 存储温度范围： (-65^{circ} C) 至150 °C
• 热阻：65 °C/W

五、引脚分配

ADS7871共有28个引脚，每个引脚都有其特定的功能：

• 模拟输入引脚（LN0 - LN7）：用于连接模拟信号源。
• 复位引脚（RESET）：主复位，将所有寄存器清零。
• 上升/下降沿选择引脚（RISE/FALL）：设置SCLK的有效边沿。
• 数字输入/输出引脚（I/O0 - I/O3）：可作为数字输入或输出信号。
• 接地引脚（GND）：连接到地。
• 转换启动引脚（CONVERT）：从0到1的转换启动一个转换周期。
• 忙状态引脚（BUSY）：高电平表示转换器正在工作。
• 振荡器使能引脚（OSC ENABLE）：控制CCLK是作为输入还是输出。
• 转换时钟引脚（CCLK）：根据OSC ENABLE的状态，可作为输入或输出。
• 串行时钟引脚（SCLK）：串行数据输入/输出传输时钟。
• 串行数据输入引脚（DIN）：在3线模式下用于串行数据输入，在2线模式下也可作为串行数据输出。
• 串行数据输出引脚（DOUT）：串行数据输出。
• 芯片选择引脚（CS）：低电平时启用串行接口。
• 电源引脚（VDD）：电源电压，范围为2.7 V至5.5 V。
• 电压参考引脚（VREF）：2.048 V/2.5 V片上电压参考。
• 参考缓冲器输入引脚（BUFIN）：参考缓冲放大器的输入。
• 参考缓冲器输出/参考输入引脚（BUFOUT/REFIN）：参考缓冲放大器的输出和ADC的参考输入。

六、总结

ADS7871是一款功能强大、性能出色的数据采集系统，具有灵活的输入配置、高精度的信号处理能力和低功耗特性。它在便携式设备、仪器仪表、控制系统和智能传感器等领域都有广泛的应用前景。作为电子工程师，在设计相关系统时，需要充分考虑其电气特性、引脚功能和应用场景，以确保系统的稳定性和可靠性。你在使用ADS7871的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。