深度剖析ADS1242和ADS1243：高精度ADC的卓越之選

在電子工程師的日常工作中，高精度模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）的選擇至關(guān)重要，它直接影響到系統(tǒng)的性能和精度。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）的ADS1242和ADS1243這兩款24位高精度ADC，看看它們?cè)谠O(shè)計(jì)和應(yīng)用中究竟有哪些獨(dú)特之處。

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一、產(chǎn)品概述

ADS1242和ADS1243是德州儀器推出的高精度、寬動(dòng)態(tài)范圍的Δ - Σ型ADC，工作電壓范圍為2.7V至5.25V。它們具備24位無失碼性能，有效分辨率高達(dá)21位，能夠滿足各種高精度測(cè)量的需求。

（一）主要特性

1. 高精度與高分辨率：24位無失碼，有效分辨率可達(dá)21位（PGA = 1時(shí)），19位（PGA = 128時(shí)），積分非線性（INL）低至0.0015% FS，確保了測(cè)量的高精度。
2. 50Hz和60Hz同時(shí)抑制：能夠?qū)崿F(xiàn) - 90dB的最小抑制，有效減少電源頻率干擾，提高測(cè)量的穩(wěn)定性。
3. 可編程增益放大器（PGA）：增益范圍從1到128，可根據(jù)實(shí)際需求靈活調(diào)整，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。
4. 單周期穩(wěn)定：數(shù)字濾波器能夠在新通道選擇后的第一個(gè)轉(zhuǎn)換周期內(nèi)提供有效數(shù)據(jù)，減少了等待時(shí)間。
5. 多種輸入通道和數(shù)據(jù)I/O：ADS1242最多有4個(gè)通道，ADS1243最多有8個(gè)通道，并且這些通道還可作為數(shù)據(jù)I/O使用，增加了設(shè)計(jì)的靈活性。
6. 低功耗：功耗僅為600μW，適合便攜式設(shè)備等對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用。

（二）應(yīng)用領(lǐng)域

由于其高精度和多功能性，ADS1242和ADS1243廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制、液體/氣相色譜分析、血液分析、智能變送器、便攜式儀器和稱重秤等領(lǐng)域。

二、關(guān)鍵技術(shù)解析

（一）輸入多路復(fù)用器

輸入多路復(fù)用器允許用戶在任何輸入通道上選擇任意組合的差分輸入。ADS1243最多可支持7個(gè)單端輸入通道或4個(gè)獨(dú)立差分輸入通道，ADS1242最多可支持3個(gè)單端輸入通道或2個(gè)獨(dú)立差分輸入通道。同時(shí)，它采用單周期穩(wěn)定數(shù)字濾波器，在新通道選擇后能快速提供有效數(shù)據(jù)。為了減少穩(wěn)定誤差，建議在DRDY下降沿同步MUX更改。

（二）燒斷電流源

燒斷電流源可用于檢測(cè)傳感器的短路或開路情況。通過設(shè)置SETUP寄存器中的BOCS位，可激活兩個(gè)2μA的電流源。當(dāng)傳感器開路時(shí)，正輸入電流源使正輸入接正模擬電源，負(fù)輸入電流源使負(fù)輸入接地，ADC輸出滿量程；當(dāng)傳感器短路時(shí)，ADC信號(hào)輸出近似為零。

（三）輸入緩沖器

在未啟用緩沖器時(shí)，ADS1242/43的輸入阻抗約為5MΩ/PGA。啟用緩沖器后，輸入阻抗可提高到約5GΩ，適用于對(duì)輸入阻抗要求較高的系統(tǒng)。緩沖器的輸入范圍約為50mV至$V_{DD}-1.5V$，超出此范圍線性度會(huì)下降。緩沖器可通過BUFEN引腳或ACR寄存器中的BUFEN位啟用，啟用后會(huì)增加額外的電流消耗。

（四）可編程增益放大器（PGA）

PGA的增益可設(shè)置為1、2、4、8、16、32、64或128。使用PGA可以提高ADC的有效分辨率，例如在5V滿量程信號(hào)下，PGA為1時(shí)可分辨到1μV；PGA為128且滿量程信號(hào)為39mV時(shí)，可分辨到75nV。不過，當(dāng)PGA設(shè)置高于4時(shí)，$V_{DD}$電流會(huì)增加。

（五）偏移DAC

偏移DAC（ODAC）寄存器可將PGA的輸入偏移其滿量程輸入范圍的一半。ODAC寄存器是一個(gè)8位值，MSB為符號(hào)位，7個(gè)LSB提供偏移量。使用偏移DAC不會(huì)降低ADC的性能，具體偏移量可根據(jù)RANGE位和OSET值計(jì)算。

（六）調(diào)制器

調(diào)制器是一個(gè)單環(huán)二階系統(tǒng)，其時(shí)鐘速度（$f{MOD}$）由外部時(shí)鐘（$f{OSC}$）和SETUP寄存器中的SPEED位決定。不同的SPEED位設(shè)置會(huì)影響調(diào)制器的時(shí)鐘速度和數(shù)據(jù)輸出速率。

（七）校準(zhǔn)

ADS1242和ADS1243支持自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)，可有效減少偏移和增益誤差。自校準(zhǔn)包括偏移和增益自校準(zhǔn)（SELFCAL）、自偏移校準(zhǔn)（SELFOCAL）和自增益校準(zhǔn)（SELFGCAL）；系統(tǒng)校準(zhǔn)包括系統(tǒng)偏移校準(zhǔn)（SYSOCAL）和系統(tǒng)增益校準(zhǔn)（SYSGCAL）。校準(zhǔn)應(yīng)在電源開啟、溫度變化或PGA改變后進(jìn)行，校準(zhǔn)期間應(yīng)禁用ODAC，校準(zhǔn)完成后DRDY信號(hào)會(huì)變低，第一個(gè)數(shù)據(jù)應(yīng)丟棄。

（八）外部電壓參考

這兩款A(yù)DC需要外部電壓參考，參考電壓值通過ACR寄存器選擇。外部電壓參考是差分的，由$+V{REF}$和$-V{REF}$引腳之間的電壓差表示，每個(gè)引腳的絕對(duì)電壓范圍為GND至$V{DD}$，但不同的$V{DD}$和RANGE設(shè)置對(duì)參考電壓有不同的限制。

（九）時(shí)鐘發(fā)生器

時(shí)鐘源可以是晶體、振蕩器或外部時(shí)鐘。使用晶體時(shí)，需要提供外部電容以確保啟動(dòng)和穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率。$X_{OUT}$僅用于外部晶體，不能用作外部電路的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。

（十）數(shù)字濾波器

ADS1242和ADS1243采用1279抽頭線性相位有限脈沖響應(yīng)（FIR）數(shù)字濾波器，可根據(jù)不同的晶體頻率配置不同的數(shù)據(jù)輸出速率。當(dāng)使用2.4576MHz晶體時(shí)，可實(shí)現(xiàn)15Hz、7.5Hz或3.75Hz的數(shù)據(jù)輸出速率，并能同時(shí)抑制50Hz和60Hz的干擾。如果需要不同的數(shù)據(jù)輸出速率，可使用不同的晶體頻率，但抑制頻率會(huì)相應(yīng)偏移。

（十一）數(shù)據(jù)I/O接口

ADS1242有4個(gè)引腳，ADS1243有8個(gè)引腳可同時(shí)作為模擬輸入和數(shù)據(jù)I/O。這些引腳通過IOCON、DIR和DIO寄存器配置，可單獨(dú)設(shè)置為模擬輸入或數(shù)據(jù)I/O。IOCON寄存器定義引腳類型，DIR寄存器控制數(shù)據(jù)引腳方向，DIO寄存器控制輸出狀態(tài)。即使引腳配置為數(shù)據(jù)I/O，仍可進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

（十二）串行外設(shè)接口（SPI）

SPI接口允許控制器與ADS1242和ADS1243同步通信，它們工作在從機(jī)模式。SPI接口采用標(biāo)準(zhǔn)的四線制（CS、SCLK、$D{IN}$和$D{OUT}$），CS輸入必須在通信前外部置低，通信期間保持低電平，CS可硬連線為低電平。SCLK用于時(shí)鐘$D{IN}$和$D{OUT}$數(shù)據(jù)，應(yīng)確保其干凈以防止數(shù)據(jù)誤移。$D{IN}$和$D{OUT}$用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，$D_{OUT}$在不使用時(shí)為高阻抗。

（十三）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備（DRDY）引腳

DRDY線作為狀態(tài)信號(hào)，當(dāng)DOR寄存器中有新數(shù)據(jù)時(shí)變低，數(shù)據(jù)讀取完成后變高。在輸出寄存器更新前也會(huì)變高，以指示此時(shí)不應(yīng)讀取數(shù)據(jù)。DRDY的狀態(tài)也可通過查詢ACR寄存器的第7位獲得，SPI接口可通過將CS輸入置低工作在三線模式。

（十四）DSYNC操作

通過DSYNC命令可實(shí)現(xiàn)同步，發(fā)送該命令時(shí)，數(shù)字濾波器在DSYNC命令的最后一個(gè)SCLK邊緣復(fù)位，調(diào)制器保持復(fù)位狀態(tài)，直到檢測(cè)到下一個(gè)SCLK邊緣，同步在DSYNC命令后的第一個(gè)SCLK之后的系統(tǒng)時(shí)鐘上升沿發(fā)生。

三、寄存器與控制命令

（一）寄存器

ADS1242和ADS1243共有16個(gè)寄存器，包括SETUP、MUX、ACR、ODAC等，每個(gè)寄存器都有特定的功能，用于配置ADC的各種參數(shù)，如增益、通道選擇、數(shù)據(jù)格式、校準(zhǔn)設(shè)置等。例如，SETUP寄存器用于設(shè)置PGA增益和燒斷電流源；MUX寄存器用于選擇輸入通道；ACR寄存器用于設(shè)置數(shù)據(jù)格式、調(diào)制器時(shí)鐘速度、緩沖器啟用等。

（二）控制命令

通過一系列控制命令可實(shí)現(xiàn)對(duì)ADS1242和ADS1243的各種操作，如讀取數(shù)據(jù)（RDATA、RDATAC）、停止連續(xù)讀?。⊿TOPC）、讀寫寄存器（RREG、WREG）、校準(zhǔn)（SELFCAL、SELFOCAL、SELFGCAL、SYSOCAL、SYSGCAL）、睡眠和喚醒（SLEEP、WAKEUP）、同步（DSYNC）和復(fù)位（RESET）等。每個(gè)命令都有相應(yīng)的操作碼和數(shù)據(jù)傳輸序列。

四、應(yīng)用示例

（一）通用稱重秤

在通用稱重秤應(yīng)用中，可將內(nèi)部PGA設(shè)置為64或128（根據(jù)稱重傳感器的最大輸出電壓而定），使稱重傳感器的輸出直接連接到ADS1242的差分輸入。

（二）高精度稱重秤

對(duì)于高精度稱重秤應(yīng)用，前端差分放大器可幫助最大化動(dòng)態(tài)范圍，提高測(cè)量精度。

五、總結(jié)

ADS1242和ADS1243憑借其高精度、高分辨率、多功能性和低功耗等優(yōu)點(diǎn)，成為了電子工程師在高精度測(cè)量應(yīng)用中的理想選擇。通過深入了解它們的特性、技術(shù)原理、寄存器配置和控制命令，我們可以更好地將其應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中，發(fā)揮出它們的最大優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，工程師們還需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求和系統(tǒng)要求，合理選擇參數(shù)和配置，以確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。你在使用ADS1242和ADS1243的過程中遇到過哪些問題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。