在工業(yè)測量、數(shù)據(jù)采集等眾多領(lǐng)域，高精度、多通道的模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）一直是關(guān)鍵的核心部件。德州儀器（TI）推出的ADS1274和ADS1278就是這樣兩款具有卓越性能的24位Delta - Sigma ADC，它們?yōu)?a target="_blank">工程師們提供了強(qiáng)大而靈活的解決方案。今天，我們就來深入探討一下這兩款A(yù)DC的特點(diǎn)、功能以及應(yīng)用中的注意事項(xiàng)。

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一、產(chǎn)品概述

ADS1274為四通道ADC，而ADS1278則是八通道ADC，它們均基于單通道的ADS1271開發(fā)而來。這兩款產(chǎn)品最大的亮點(diǎn)在于將出色的直流精度和卓越的交流性能完美結(jié)合。它們采用相同的封裝，且ADS1274的引腳與ADS1278兼容，這意味著在設(shè)計(jì)中可以方便地進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)真正的即插即用。

二、產(chǎn)品特性

2.1 多通道同步采樣

ADS1274能夠同時(shí)測量四個(gè)通道，而ADS1278則可同時(shí)測量八個(gè)通道，這使得它們非常適合多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠確保各通道數(shù)據(jù)的同步性，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)。

2.2 高速數(shù)據(jù)采集

最高數(shù)據(jù)速率可達(dá)144kSPS，能夠滿足高速數(shù)據(jù)采集的需求。在不同的工作模式下，數(shù)據(jù)速率可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整，以平衡速度、分辨率和功耗。

2.3 優(yōu)異的AC和DC性能

• AC性能：帶寬高達(dá)70kHz，信噪比（SNR）在高分辨率模式下可達(dá)111dB，總諧波失真（THD）低至 - 108dB，能夠準(zhǔn)確地采集高頻信號，并且對信號的失真控制非常出色。
• DC精度：偏移漂移僅為0.8μV/°C，增益漂移為1.3ppm/°C，確保了在不同溫度環(huán)境下的測量精度。

2.4 可選工作模式

提供四種工作模式：高速、高分辨率、低功耗和低速模式。工程師可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求，在速度、分辨率和功耗之間進(jìn)行權(quán)衡選擇。例如，在對速度要求較高的場合可以選擇高速模式；而在對功耗敏感的應(yīng)用中，則可以選擇低功耗模式。

2.5 線性相位數(shù)字濾波器

內(nèi)置的線性相位數(shù)字濾波器能夠提供恒定的群延遲，確保在分析多音信號時(shí)基本沒有相位誤差，提高了信號處理的準(zhǔn)確性。

2.6 靈活的接口

支持SPI和幀同步（Frame - Sync）兩種串行接口協(xié)議，方便與各種微控制器、FPGA等設(shè)備進(jìn)行連接，增強(qiáng)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。

三、電氣特性

3.1 模擬輸入特性

• 滿量程輸入電壓為±VREF，絕對輸入電壓范圍為AGND - 0.1V至AVDD + 0.1V，共模輸入電壓為2.5V。
• 不同工作模式下，差分輸入阻抗有所不同，高速和高分辨率模式下為14kΩ，低功耗模式下為28kΩ，低速模式下為140kΩ。

3.2 直流性能

分辨率為24位，無丟失碼。在不同工作模式和時(shí)鐘頻率下，數(shù)據(jù)速率有所差異。積分非線性（INL）最大為±0.0012% FSR，偏移誤差最大為2mV，增益誤差最大為0.5% FSR。

3.3 交流性能

串?dāng)_在1kHz、 - 0.5dBFS時(shí)低至 - 107dB，不同工作模式下的信噪比和通帶特性也各有特點(diǎn)。例如，高分辨率模式下，通帶紋波最大為±0.005dB， - 3dB帶寬為0.49fDATA。

3.4 電壓參考輸入

參考輸入電壓VREF的范圍根據(jù)時(shí)鐘頻率有所不同，ADS1274和ADS1278在不同工作模式下的參考輸入阻抗也不同。

3.5 數(shù)字輸入/輸出

數(shù)字輸入/輸出的電壓范圍與IOVDD相關(guān)，輸入漏電流最大為±10μA。主時(shí)鐘速率在高速模式下最大為37MHz，其他模式下最大為27MHz。

3.6 電源特性

ADS1274和ADS1278需要三個(gè)電源：AVDD（模擬電源）、DVDD（數(shù)字核心電源）和IOVDD（數(shù)字I/O電源）。不同工作模式下，各電源的電流和功耗也不同。例如，ADS1274在高速模式下，AVDD電流為50 - 75mA，功耗為285 - 420mW。

四、功能描述

4.1 工作原理

ADS1274/78由調(diào)制器和數(shù)字濾波器兩個(gè)主要功能模塊組成。調(diào)制器以較高的速率對輸入信號和參考電壓進(jìn)行采樣，產(chǎn)生一個(gè)1s密度輸出流，其密度與模擬輸入電平相對于參考電壓的比例成正比。這個(gè)脈沖流經(jīng)過內(nèi)部數(shù)字濾波器處理后，得到最終的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

4.2 采樣孔徑匹配

由于所有通道都使用相同的CLK輸入，并且數(shù)字濾波器在同一調(diào)制器時(shí)鐘周期開始卷積階段，因此各通道之間具有出色的相位匹配。不過，在使用多個(gè)設(shè)備時(shí)，由于內(nèi)部時(shí)鐘信號的傳播延遲和外部時(shí)鐘信號到達(dá)時(shí)間的差異，可能會(huì)導(dǎo)致采樣匹配誤差?？梢酝ㄟ^等長的CLK走線或外部時(shí)鐘分配設(shè)備來減少這種誤差。

4.3 頻率響應(yīng)

數(shù)字濾波器決定了整體的頻率響應(yīng)。不同工作模式下，濾波器的過采樣比不同，高速、低功耗和低速模式下為64，高分辨率模式下為128。為了避免鏡像頻率折疊回通帶導(dǎo)致誤差，建議在ADS1274/78輸入前端放置抗混疊低通濾波器，通常一個(gè)簡單的RC濾波器就足夠了。

4.4 相位響應(yīng)

采用多級線性相位數(shù)字濾波器，具有恒定的群延遲，這意味著輸入信號的任何時(shí)刻到輸出數(shù)據(jù)的同一時(shí)刻的時(shí)間延遲是恒定的，與輸入信號頻率無關(guān)，從而在分析多音信號時(shí)基本沒有相位誤差。

4.5 建立時(shí)間

數(shù)字濾波器也決定了建立時(shí)間。在高速和低功耗模式下，輸出數(shù)據(jù)在76個(gè)轉(zhuǎn)換周期后完全穩(wěn)定；在高分辨率模式下，需要78個(gè)轉(zhuǎn)換周期。

4.6 數(shù)據(jù)格式

輸出24位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式的數(shù)據(jù)。正滿量程輸入產(chǎn)生理想輸出代碼7FFFFFh，負(fù)滿量程輸入產(chǎn)生理想輸出代碼800000h。

五、引腳功能與接口協(xié)議

5.1 引腳功能

ADS1274/78的引腳包括模擬輸入引腳（AINP、AINN）、電壓參考輸入引腳（VREFP、VREFN）、時(shí)鐘輸入引腳（CLK）、模式選擇引腳（MODE）、同步引腳（SYNC）、電源引腳（AVDD、DVDD、IOVDD）以及數(shù)字輸入/輸出引腳等。每個(gè)引腳都有其特定的功能，例如，MODE[1:0]引腳用于選擇工作模式，SYNC引腳用于同步轉(zhuǎn)換過程。

5.2 接口協(xié)議

支持SPI和幀同步（Frame - Sync）兩種串行接口協(xié)議。

• SPI接口：是一種只讀接口，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后通過DRDY輸出信號指示，在SCLK的下降沿以MSB優(yōu)先的方式移出?？梢酝ㄟ^DIN輸入進(jìn)行菊花鏈連接，方便多個(gè)設(shè)備的級聯(lián)。
• 幀同步接口：類似于音頻ADC常用的接口，需要用戶提供幀同步信號FSYNC和串行時(shí)鐘SCLK。數(shù)據(jù)在FSYNC的上升沿以MSB優(yōu)先或左對齊的方式輸出。

5.3 DOUT模式

有TDM（時(shí)分復(fù)用）和離散數(shù)據(jù)輸出兩種模式。在TDM模式下，又分為固定位置數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)位置數(shù)據(jù)兩種子模式。不同模式下，數(shù)據(jù)的輸出方式和處理方式有所不同，工程師可以根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。

5.4 菊花鏈連接

多個(gè)ADS1274/78可以通過菊花鏈連接在一起，將一個(gè)設(shè)備的DOUT1引腳連接到下一個(gè)設(shè)備的DIN引腳。不過，可級聯(lián)的最大通道數(shù)受到SCLK頻率、工作模式和CLKDIV輸入的限制。為了確保所有設(shè)備同步，建議將SYNC輸入引腳連接在一起。

六、應(yīng)用信息與注意事項(xiàng)

6.1 電源設(shè)計(jì)

需要三個(gè)電源：DVDD、IOVDD和AVDD。為了達(dá)到額定性能，電源必須使用0.1μF和10μF的電容進(jìn)行旁路，并且盡量靠近電源引腳放置。電源應(yīng)相對無噪聲，避免與產(chǎn)生電壓尖峰的設(shè)備共享電源。

6.2 接地設(shè)計(jì)

可以使用單個(gè)接地平面連接AGND和DGND引腳。如果使用單獨(dú)的數(shù)字和模擬接地，應(yīng)在轉(zhuǎn)換器處將它們連接在一起。

6.3 數(shù)字輸入設(shè)計(jì)

建議在數(shù)字輸入到設(shè)備的線路上使用50Ω的串聯(lián)電阻進(jìn)行源端匹配，電阻應(yīng)靠近數(shù)字源的驅(qū)動(dòng)端放置，以減少數(shù)字線路上的振鈴，避免影響ADC性能。

6.4 模擬/數(shù)字電路布局

模擬電路（輸入緩沖器、參考電路）和相關(guān)走線應(yīng)集中在一起，并遠(yuǎn)離數(shù)字電路（DSP、微控制器、邏輯電路）。避免數(shù)字走線跨越模擬走線，以減少噪聲耦合和串?dāng)_。

6.5 參考輸入設(shè)計(jì)

建議在參考輸入VREFP和VREFN之間直接使用一個(gè)最小10μF的鉭電容和一個(gè)0.1μF的陶瓷電容。參考輸入應(yīng)由低阻抗源驅(qū)動(dòng)，為了獲得最佳性能，參考源的帶內(nèi)噪聲應(yīng)小于3μVRMS。如果參考源噪聲較高，可能需要外部參考濾波。

6.6 模擬輸入設(shè)計(jì)

模擬輸入引腳必須采用差分驅(qū)動(dòng)才能達(dá)到指定的性能。可以使用真正的差分驅(qū)動(dòng)器或變壓器（適用于交流應(yīng)用）。模擬輸入走線（AINP、AINN）應(yīng)作為一對從緩沖器直接連接到轉(zhuǎn)換器，走線應(yīng)短而直接，并遠(yuǎn)離數(shù)字走線。在模擬輸入引腳之間應(yīng)直接使用一個(gè)1nF至10nF的電容，建議使用低k電介質(zhì)（如COG或薄膜類型）以保持低THD。每個(gè)模擬輸入到地的電容不應(yīng)大于差分電容的1/10（通常為100pF），以保持交流共模性能。

6.7 組件布局

電源、模擬輸入和參考輸入的旁路電容應(yīng)盡量靠近設(shè)備引腳放置，特別是小值陶瓷電容。較大的（大容量）去耦電容可以放置在離設(shè)備稍遠(yuǎn)的位置。

七、總結(jié)

ADS1274和ADS1278以其多通道同步采樣、高速數(shù)據(jù)采集、優(yōu)異的AC和DC性能、靈活的工作模式和接口協(xié)議等特點(diǎn)，為工程師們在多通道數(shù)據(jù)采集、振動(dòng)/模態(tài)分析、聲學(xué)/動(dòng)態(tài)應(yīng)變計(jì)、壓力傳感器等應(yīng)用領(lǐng)域提供了強(qiáng)大的支持。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇工作模式和接口協(xié)議，并注意電源設(shè)計(jì)、接地設(shè)計(jì)、布局布線等方面的問題，以充分發(fā)揮這兩款A(yù)DC的性能優(yōu)勢。你在使用ADS1274/ADS1278的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。