ADS1120 备忘

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了ADS1120 备忘相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

ADS1120 是一个小型、低功耗、16-bit、ΔΣ 模数转换器（ADC）：

  • 内置 PGA（1~128）
  • 内置参考基准（2.048V）
  • 内置温度传感器
  • 内置 2 个已配对的可编程电流源
  • SPI 通讯接口，使用 模式 1 ，通过 4 个寄存器配置

多路复用器

有了多路复用器，就可以测量 4 个单端信号，或者 2 个差分信号，或者1个差分信号加上 2 个单端信号。

配置寄存器 0 的 bit[7:4] 用于配置多路复用器。

在芯片内部，有静电放电二极管（ESD）保护模拟输入。为了防止 ESD 二极管导通，须确保输入电压为 AVSS-0.3V ~ AVDD+0.3V 之间。如果输入电压有可能超过这个范围，需要加入外部肖特基钳位二极管或者串入电阻（限制输入电流），根据数据表提供的绝对最大值，引脚能承受的最大电流为 10mA。TI 更推荐使用肖特基二极管钳位。

低噪声 PGA

增益为 1 - 128。
为了保证 PGA 的线性操作，输入信号必须满足特定条件。
PGA 的输出不能达到电源轨，在接近电源轨的 200mV 范围内，内部放大器就开始饱和，变得非线性。
条件1 ：
V C M ( M I N ) ≥ A V S S + 0.2 V + 1 2 G a i n ∗ V I N ( M A X ) V_CM(MIN) ≥ AVSS + 0.2V + \\frac12Gain*V_IN(MAX) VCM(MIN)​≥AVSS+0.2V+21​Gain∗VIN(MAX)​
且：
V C M ( M I N ) ≥ A V S S + 1 4 ( A V D D − A V S S ) V_CM(MIN) ≥ AVSS + \\frac14(AVDD-AVSS) VCM(MIN)​≥AVSS+41​(AVDD−AVSS)
条件2：
V C M ( M A X ) ≤ A V D D − 0.2 V − 1 2 G a i n ∗ V I N ( M A X ) V_CM(MAX)≤ AVDD - 0.2V - \\frac12Gain*V_IN(MAX) VCM(MAX)​≤AVDD−0.2V−21​Gain∗VIN(MAX)​
这就是 PGA 的 共模电压要求，其中：

  • VIN(MAX) ：差分最大输入电压

另外数据手册给出了 PGA 共模电压的图解法，分别是增益为 1 和增益 为 16 的图解：

举例说明：
假设一个应用：

  • AVDD = 3.3V
  • AVSS = 0V
  • 增益（gain） = 16
  • 使用外部参考基准，Vref = 2.5V

易知绝对最大输入电压范围为：±2.5V / 16 = ±0.156V
但是这个应用用不到这么大的输入电压范围，使用的VIN(MAX) = ±0.1V，那么根据上面的公式（条件 1 和条件 2 ）可以算出输入共模电压需满足：1.0V ≤ V~CM~ ≤ 2.3V
图43 给出一个极限输入极限例子，这个例子中，放大器 A2 的输出已经达到了极限值，如果电压再稍微波动一点，放大器 A2 就会饱和，在设计电路时要避免这种情况，保留一定的余量。

PGA 可以旁路掉。
通过配置寄存器 0 来旁路掉 PGA。旁路掉 PGA 后：

  • 增益为 1- 4
  • 共模输入电压不再受条件 1 和条件 2 的限制，变为：AVSS - 0.1V ≤ VCM ≤ AVDD + 0.1V
  • 可以测量单端信号，AINP = VIN、AINN = AVSS

旁路 PGA 后，设备使用带缓冲的开关电容获得增益（1、2、4），尽管使用了缓冲器，也不可避免的对输入产生了影响，根据数据手册给出的图示：
（不同温度下，各输入口的绝对最大电流和绝对最大电压关系图）

（不同温度情况下，各输入口的差分最大电流和差分最大电压关系图）

从这两张图上可以看出：

  • 额外输入电流在 nA 级别
  • 如果信号源的输出阻抗大，需要外部缓冲放大器，但是外部有源缓冲器一般会引入噪声，也会引入偏移和增益误差。在高精度应用场合需要综合考虑所有因素。
  • 如果要减少这种电流影响，优先选择 AIN0 和 AIN1 ！！！

数字滤波器

使用 线性相位有限脉冲响应（FIR）数字滤波器 ：
数据转换速率为 5 或者 20 SPS 时，可以对 50Hz 或者 60Hz 或者 50Hz 和 60Hz 进行谐波抑制。需要手动开启，在配置寄存器 2 中的 50/60[1:0] 位：

数字滤波器的效果可能跟文字反映的不太符合，它只是针对特定的频率进行高效抑制，这个频率范围还非常窄，其它频率范围抑制效果有限。
开启 50Hz 抑制效果图，左图是整体效果，右图是 50Hz 附近的放大图：

数据转换速率为90、175、330、600、1K 和 2K SPS 时，仍具有数字滤波功能，只是不能针对 50Hz 、 60Hz 进行谐波抑制。
数据转换速率越高，数字滤波器效果越差，比如下面展示了转换速率为 90 SPS 和 175 SPS 时的滤波效果图：

输出数据速率

数据速率在配置寄存器 1 中设置，使用 DR[2:0] 位：

数据速率取决于操作模式，操作模式有三种：Normal、Duty-cycle、Turbo 。不同模式下的数据速率：

注：本表提供的数据速率是使用内部晶振或者外部 4.096MHz 时钟的前提下得出的。如果使用 4.096MHz 以外的外部时钟，本表中的数据需要和外部时钟频率成等比缩放。

参考电压

内部集成低飘移 2.048V 参考源。芯片的参考电压可以选择外部参考源、内部参考源和模拟电压（AVDD - AVSS）。根据配置寄存器 2 的 VREF[1:0] 来选择。

上电后、退出掉电模式或者从外部参考源切换到内部参考源，最多只需 25us ，内部参考源就能充分稳定。

激励电流源

芯片内部集成两路已匹配的激励电流源，一般用于 RTD 温度采集。电流源可以输出不同的电流，使用配置寄存器 2 的 IDAC[2:0] 来选择：

编程输出电流后，需要最多 200us 的时间启动。

电流源可以从任意模拟引脚输出电流，这需要手动配置，配置寄存器 3 的 I1MUX[2:0] 和 I2MUX[2:0] 用于选择输出引脚：

必须注意电流源有电压限制，IDAC 驱动的负载电压必须 ≤ AVDD - 0.9 V ！否则输出电流精度不能保证。
TI 推荐先编程输出电流，再配置电流输出引脚。

失调校准

内部多路复用器可以将 PGA 的两个输入短路到 (AVDD + AVSS) / 2 ，此时可以测量和校准失调电压。方法是在这种情况下获取多个读数，求平均值然后存储起来，称为校准值，后续真实测量读数减去这个校准值。

转换模式

  1. 单次转换模式
    在单次转换模式，仅在发出 START/SYNC 命令后，设备才执行 1 次转换，并将该值存储在内部数据缓冲器中，然后进入低功耗状态。在低功耗状态下，内部振荡器和所有模拟电路（激励电流源除外）均关闭。
    此外，对任意配置寄存器的写操作也会开始新的转换。当转换正在进行时，向任意寄存器的写动作都相当于发出了新的 START/SYNC 命令：停止当前转换并重启单个新的转换。
  2. 连续转换模式
    在连续转换模式下，设备连续的执行转换。当一个转换完成，设备将转换结果保存到内部数据缓冲区，然后立即开始新的转换。可以随时读取数据，而不必担心数据损坏，并始终反映最近完成的转换。
    启动连续转换的步骤为：将配置寄存器 1 的 CM 位置一，然后跟着发出 START/SYNC 命令。在发出 START/SYNC 命令最后一个 SCLK 下降沿后的 210 * tCLK（Normal 模式和 Duty-cycle 模式）或者 114 * tCLK （Turbo 模式）时间后，第一次转换开始。（使用内部晶振时，210 个时钟大约 52.5 us）
    当转换正在进行时，向任意寄存器的写动作会重启当前转换。TI 推荐在设置 CM 位为 1 后，总是立即发送一个 START/SYNC 命令。

编程

串行接口

使用 SPI 接口通讯。使用模式 1（CPOL = 0，CPHA = 1）。
CS 引脚低有效，为高时，串行接口复位：忽略 SCLK 引脚、DOUT/DRDY 引脚高阻。如果没有和其它设备共享 SPI 总线，CS 引脚可以设置为常低。
SCLK 引脚在空闲时为低电平。在 SCLK 的下降沿，设备锁存 DIN 上的状态，在SCLK 的上升沿，设备向 DOUT/DRDY 引脚 输出新的状态。
SPI超时：这个特性尤其适用于 CS 引脚直连到地的情况。

  • Normal 模式和 Duty-cycle 模式下，超过 13955 * tMOD 时，SPI超时发生。在这种情况下，tMOD = 256KHz，所以这个超时时间约为 54.5 毫秒。
  • Turbo 模式下，超过 27910 * tMOD 时，SPI超时发生。在这种情况下，tMOD = 512KHz，所以这个超时时间也是约为 54.5 毫秒。

数据格式

以二进制补码的形式提供 16 bits 数据。
1 LSB = +FS / 215

命令

共 6 个不同的命令：

  • RESET：复位命令。发送复位命令后至少等待 50us + 32 * tCLK 时间后，再发送其它命令。（使用内部晶振时或外部4.096MHz时钟时，32 个 tCLK 为 8us。
  • START/SYNC：启动转换命令。单次转换模式下，用于启动单次转或者在转换期间重启单次转换。连续转换模式下，必须发送一次该命令启动连续转换，在转换期间发送该命令重启连续转换。
  • POWERDOWN：掉电命令。设备进入掉电模式后，内部所有模拟组件掉电、低侧开关打开、两个激励电流源关闭，但保持所有寄存器的值。如果在转换期间发出掉电命令，则在当前转换完成后，再进入掉电模式。一旦发出 START/SYNC 命令，所有模拟组件恢复到以前的状态。
  • RDATA：读数据命令。读取最近的转换结果。
  • RREG：读配置寄存器命令。读取寄存器 rr 起始的 nn + 1 个寄存器。
  • WREG：写配置寄存器命令。向寄存器 rr 起始的 nn + 1 个寄存器写入数据。寄存器将在最后一个 SCLK 下降沿更新新的配置。

比率式 RTD 当前电阻值推导

三线制比率计原理框图为：

芯片内部激励电流源流过测温电阻 RRTD和参考电阻 RREF，容易得出测温电阻 RRTD上的电压 VRTD 为：
V R T D = R R T D ∗ I I D A C 1 V_RTD = R_RTD * I_IDAC1 VRTD​=RRTD​∗IIDAC1​
容易得出参考电阻 RREF上的电压 VREF 为：
V R E F = R R E F ∗ ( I I D A C 1 + I I D A C 2 ) V_REF = R_REF * (I_IDAC1 + I_IDAC2 ) VREF​=RREF​∗(IIDAC1​+IIDAC2​)
所以，对于当前测温电阻 RRTD，ADC 当前码值 CodeRTD为：
C o d e R T D = V R T D ∗ G a i n V R E F ∗ C o d e F U L L Code_RTD = \\fracV_RTD * GainV_REF * Code_FULL CodeRTD​=VREF​VRTD​∗Gain​∗CodeFULL​
其中：

  • Gain 为 PGA 增益
  • CodeFULL 为 ADC 满量程码值

将 VRTD 和 VREF 的值带入上面公式：
C o d e R T D = R R T D ∗ I I D A C 1 ∗ G a i n R R E F ∗ ( I I D A C 1 + I I D A C 2 ) ∗ C o d e F U L L Code_RTD = \\fracR_RTD * I_IDAC1 * GainR_REF * (I_IDAC1 + I_IDAC2 ) * Code_FULL CodeRTD​=RREF​∗(IIDAC1​+IIDAC2​)RRTD​∗IIDAC1​∗Gain​∗CodeFULL​
假设 IIDAC1 等于 IIDAC2 ，则上式可以简化为：
C o d e R T D = R R T D ∗ G a i n 2 ∗ R R E F ∗ C o d e F U L L Code_RTD = \\fracR_RTD * Gain2 * R_REF * Code_FULL CodeRTD​=2∗RREF​RRTD​∗Gain​∗以上是关于ADS1120 备忘的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

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