AD7190：高精度測(cè)量應(yīng)用的理想選擇

在電子工程師的設(shè)計(jì)工作中，高精度模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。ADI公司的AD7190，一款4.8 kHz超低噪聲24位Σ - Δ ADC，憑借其出色的性能和豐富的功能，成為了眾多高精度測(cè)量應(yīng)用的理想選擇。今天，我們就來(lái)深入了解一下這款芯片。

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一、AD7190的特性亮點(diǎn)

1. 低噪聲與高分辨率

AD7190的噪聲性能非常出色，在4.7 Hz、增益為128時(shí)，RMS噪聲僅為8.5 nV，在2.4 kHz、增益為128時(shí)，能達(dá)到16位無(wú)噪聲位，增益為1時(shí)，最高可達(dá)22.5位無(wú)噪聲位。這使得它在處理微弱信號(hào)時(shí)表現(xiàn)卓越，能夠滿足高精度測(cè)量的需求。

2. 低漂移特性

其偏移漂移為5 nV/°C，增益漂移為1 ppm/°C，并且有指定的隨時(shí)間漂移特性。這種低漂移特性保證了芯片在不同環(huán)境條件下的穩(wěn)定性，減少了因溫度變化等因素導(dǎo)致的測(cè)量誤差。

3. 多通道與靈活配置

芯片擁有2個(gè)差分或4個(gè)偽差分輸入通道，并配備自動(dòng)通道排序器。這使得它可以同時(shí)處理多個(gè)信號(hào)源，并且能夠根據(jù)需要靈活配置輸入通道，大大提高了系統(tǒng)的集成度和靈活性。

4. 可編程增益與輸出數(shù)據(jù)率

可編程增益范圍為1到128，輸出數(shù)據(jù)率可在4.7 Hz至4.8 kHz之間調(diào)整。這種靈活性使得AD7190能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，滿足各種信號(hào)處理的需求。

5. 電源與溫度范圍

模擬電源AVDD范圍為4.75 V至5.25 V，數(shù)字電源DVDD范圍為2.7 V至5.25 V，工作電流為6 mA，溫度范圍為 - 40°C至 + 105°C。這些參數(shù)表明它具有較好的電源適應(yīng)性和溫度穩(wěn)定性，能夠在較為惡劣的環(huán)境中正常工作。

6. 接口兼容性

采用3線串行接口，與SPI、QSPI?、MICROWIRE?和DSP兼容，并且SCLK上有施密特觸發(fā)器。這種接口設(shè)計(jì)方便與各種微控制器和數(shù)字信號(hào)處理器連接，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

7. 汽車(chē)應(yīng)用資質(zhì)

AD7190通過(guò)了汽車(chē)應(yīng)用認(rèn)證，這意味著它在汽車(chē)電子等對(duì)可靠性要求極高的領(lǐng)域也能得到廣泛應(yīng)用。

二、AD7190的功能模塊

1. 模擬輸入通道

AD7190有兩個(gè)差分或四個(gè)偽差分模擬輸入通道，可選擇緩沖或非緩沖模式。在緩沖模式下，輸入通道連接到緩沖放大器的高阻抗輸入級(jí)，能容忍較大的源阻抗，適合直接連接外部電阻式傳感器，如應(yīng)變計(jì)或電阻溫度探測(cè)器（RTD）。非緩沖模式下，模擬輸入電流會(huì)增大，并且輸入路徑會(huì)給驅(qū)動(dòng)源帶來(lái)動(dòng)態(tài)負(fù)載，使用時(shí)需要注意外部電阻/電容組合可能引入的增益誤差。

2. 可編程增益放大器（PGA）

PGA的存在使得小幅度信號(hào)能夠在AD7190內(nèi)部進(jìn)行放大，同時(shí)保持出色的噪聲性能。通過(guò)配置寄存器中的G2 - G0位，可以將增益設(shè)置為1、8、16、32、64或128。在不同增益設(shè)置下，配合外部參考電壓，可實(shí)現(xiàn)不同的輸入范圍，滿足多樣化的應(yīng)用需求。

3. 濾波器與輸出數(shù)據(jù)率

AD7190有sinc3和sinc4兩種濾波器可供選擇，通過(guò)模式寄存器中的SINC3位進(jìn)行選擇。在低輸出數(shù)據(jù)率（<1 kHz）時(shí)，兩種濾波器的無(wú)噪聲分辨率相當(dāng)；但在較高輸出數(shù)據(jù)率下，sinc4濾波器的無(wú)噪聲分辨率更好，且對(duì)50 Hz和60 Hz的抑制能力更強(qiáng)。

輸出數(shù)據(jù)率與濾波器類型、時(shí)鐘頻率以及模式寄存器中的FS[9:0]值有關(guān)。在不同的工作模式（斬波啟用或禁用）下，輸出數(shù)據(jù)率和建立時(shí)間的計(jì)算公式不同。例如，斬波禁用時(shí)，sinc4濾波器的建立時(shí)間為 (t{SETTLE }=4 / f{ADC }) ，sinc3濾波器的建立時(shí)間為 (t{SETTLE }=3 / f{ADC}) ；斬波啟用時(shí)，輸出數(shù)據(jù)率會(huì)降低，但建立時(shí)間會(huì)減少。

4. 時(shí)鐘源

芯片內(nèi)部集成了一個(gè)4.92 MHz的時(shí)鐘，其容差為±4%?？梢酝ㄟ^(guò)模式寄存器中的CLK1和CLK0位選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘或外部晶體/時(shí)鐘作為時(shí)鐘源。使用外部晶體時(shí)，需將其連接在MCLK1和MCLK2引腳之間；使用外部時(shí)鐘源時(shí)，將其連接到MCLK2引腳，MCLK1引腳浮空。內(nèi)部時(shí)鐘還可以在MCLK2引腳輸出，方便多個(gè)ADC同步工作。

5. 校準(zhǔn)功能

AD7190提供四種校準(zhǔn)模式：內(nèi)部零刻度校準(zhǔn)、內(nèi)部滿刻度校準(zhǔn)、系統(tǒng)零刻度校準(zhǔn)和系統(tǒng)滿刻度校準(zhǔn)。校準(zhǔn)可以在任何時(shí)候通過(guò)設(shè)置模式寄存器中的MD2 - MD0位進(jìn)行。校準(zhǔn)對(duì)于減少偏移誤差和增益誤差非常重要，特別是在增益改變時(shí)，建議進(jìn)行校準(zhǔn)操作。

6. 其他功能

• 參考檢測(cè)：通過(guò)配置寄存器中的REFDET位啟用參考檢測(cè)功能，當(dāng)所選參考電壓在0.3 V至0.6 V之間時(shí)，狀態(tài)寄存器中的NOREF位會(huì)置1，此時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)果會(huì)被鉗位為全1。
• 溫度傳感器：芯片內(nèi)部集成了溫度傳感器，通過(guò)配置寄存器中的CH2位啟用。在雙極性模式下，溫度為0 K時(shí)，傳感器應(yīng)返回代碼0x800000。經(jīng)過(guò)單點(diǎn)校準(zhǔn)后，傳感器的典型精度為±2 °C。
• 橋接電源關(guān)斷開(kāi)關(guān)：在橋接應(yīng)用中，如應(yīng)變計(jì)和稱重傳感器，橋接電源關(guān)斷開(kāi)關(guān)可用于在不使用時(shí)斷開(kāi)橋接電路，以減少系統(tǒng)電流消耗。開(kāi)關(guān)能承受30 mA的連續(xù)電流，最大導(dǎo)通電阻為10 Ω。
• 邏輯輸出：AD7190有四個(gè)通用數(shù)字輸出引腳P0 - P3，通過(guò)GPOCON寄存器中的GP32EN和GP10EN位啟用。這些引腳的邏輯電平由AVDD決定，可用于驅(qū)動(dòng)外部電路，如外部多路復(fù)用器。

三、AD7190的應(yīng)用場(chǎng)景

1. 稱重秤

在稱重秤應(yīng)用中，AD7190可以直接連接到稱重傳感器的橋接網(wǎng)絡(luò)。傳感器的差分輸出電壓可以作為AD7190的輸入，橋接的激勵(lì)電壓可以直接作為ADC的參考電壓。同時(shí)，橋接電源關(guān)斷開(kāi)關(guān)可以在不進(jìn)行測(cè)量時(shí)斷開(kāi)橋接電路，降低系統(tǒng)功耗。此外，為了減少調(diào)制器采樣頻率及其倍數(shù)處的噪聲，建議在每個(gè)模擬輸入上添加R - C抗混疊濾波器。

2. 應(yīng)變計(jì)傳感器

應(yīng)變計(jì)傳感器輸出的微弱信號(hào)可以通過(guò)AD7190的PGA進(jìn)行放大，然后進(jìn)行高精度的數(shù)字轉(zhuǎn)換。其低噪聲和高分辨率特性能夠準(zhǔn)確測(cè)量應(yīng)變計(jì)的微小變化，適用于工業(yè)測(cè)量和結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

3. 壓力測(cè)量

在壓力測(cè)量應(yīng)用中，AD7190可以將壓力傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。其對(duì)50 Hz和60 Hz的良好抑制能力可以減少工頻干擾，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。

4. 溫度測(cè)量

利用芯片內(nèi)部的溫度傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的測(cè)量。經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后，能夠滿足一定精度要求的溫度監(jiān)測(cè)需求。

5. 色譜分析

在色譜分析中，需要對(duì)微弱的信號(hào)進(jìn)行高精度測(cè)量。AD7190的低噪聲和高分辨率特性使其能夠準(zhǔn)確檢測(cè)色譜信號(hào)，為分析結(jié)果提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

6. PLC/DCS模擬輸入模塊

在可編程邏輯控制器（PLC）和分布式控制系統(tǒng)（DCS）中，AD7190可以作為模擬輸入模塊的核心部件，將各種模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)過(guò)程的精確控制。

7. 醫(yī)療和科學(xué)儀器

在醫(yī)療和科學(xué)儀器領(lǐng)域，對(duì)測(cè)量精度和穩(wěn)定性要求極高。AD7190的出色性能能夠滿足這些應(yīng)用的需求，例如在生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)、實(shí)驗(yàn)室儀器等方面都有廣泛的應(yīng)用前景。

四、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1. 接地與布局

由于AD7190的模擬輸入和參考輸入是差分的，為了減少共模噪聲，需要將模擬和數(shù)字部分分開(kāi)布局，并使用獨(dú)立的接地平面。同時(shí)，要注意避免數(shù)字電流流經(jīng)模擬地，避免在芯片下方鋪設(shè)數(shù)字線路，防止噪聲耦合。電源供應(yīng)線路應(yīng)盡可能寬，以降低阻抗，減少電源線上的干擾。

2. 濾波與去耦

在每個(gè)模擬輸入引腳連接R - C濾波器，以抑制調(diào)制器采樣頻率處的噪聲。同時(shí)，對(duì)模擬和數(shù)字電源進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜ヱ睿瑢⑷ヱ铍娙荼M可能靠近芯片放置，以提高電源的穩(wěn)定性。

3. 校準(zhǔn)操作

在使用過(guò)程中，特別是在增益改變時(shí)，要及時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)操作，以確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。校準(zhǔn)過(guò)程需要根據(jù)不同的校準(zhǔn)模式和工作條件，合理安排校準(zhǔn)時(shí)間和順序。

五、總結(jié)

AD7190以其低噪聲、高分辨率、靈活的配置和豐富的功能，為高精度測(cè)量應(yīng)用提供了一個(gè)強(qiáng)大的解決方案。無(wú)論是在工業(yè)控制、傳感器測(cè)量還是汽車(chē)電子等領(lǐng)域，它都能發(fā)揮重要作用。作為電子工程師，在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分了解和利用AD7190的特性，結(jié)合合理的布局和校準(zhǔn)操作，能夠設(shè)計(jì)出性能卓越的系統(tǒng)。你在使用AD7190的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題？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(jiàn)解。