在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）往往是實(shí)現(xiàn)精確測量和數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵組件。今天，我們就來深入了解一下德州儀器（TI）推出的ADS1242和ADS1243這兩款24位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，探討它們的特性、工作原理以及在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)。

文件下載：ads1243.pdf

一、產(chǎn)品概述

ADS1242和ADS1243是TI推出的高精度、寬動(dòng)態(tài)范圍的Δ - Σ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，工作電壓范圍為2.7V至5.25V，具備24位無失碼性能和高達(dá)21位的有效分辨率。這兩款轉(zhuǎn)換器適用于多種應(yīng)用場景，如工業(yè)過程控制、液體/氣相色譜分析、血液分析、智能變送器、便攜式儀器和電子秤等。

二、產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

1. 高精度轉(zhuǎn)換

• 無失碼性能：24位無失碼性能確保了轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性，能夠滿足對(duì)精度要求極高的應(yīng)用場景。
• 有效分辨率：在PGA = 1時(shí)，有效分辨率可達(dá)21位；當(dāng)PGA = 128時(shí)，有效分辨率仍有19位，為高精度測量提供了有力支持。
• 極低的積分非線性（INL）：INL僅為0.0015%，保證了轉(zhuǎn)換結(jié)果的線性度，減少了測量誤差。

2. 出色的抗干擾能力

能夠同時(shí)對(duì)50Hz和60Hz的干擾信號(hào)進(jìn)行抑制，抑制能力最低可達(dá) - 90dB，有效減少了市電干擾對(duì)測量結(jié)果的影響。

3. 靈活的增益設(shè)置

可編程增益放大器（PGA）的增益范圍從1到128，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求靈活選擇增益，提高了轉(zhuǎn)換器的適用性。

4. 快速響應(yīng)

單周期穩(wěn)定的數(shù)字濾波器，在新通道選擇后的第一次轉(zhuǎn)換即可提供有效數(shù)據(jù)，大大縮短了測量時(shí)間。

5. 豐富的功能特性

• 內(nèi)置校準(zhǔn)功能：支持自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)，能夠有效減小偏移和增益誤差，提高測量的準(zhǔn)確性。
• 寬范圍的外部差分參考電壓：外部差分參考電壓范圍為0.1V至5V，方便用戶根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇合適的參考電壓。
• 多種數(shù)據(jù)輸出速率：可編程的數(shù)據(jù)輸出速率，滿足不同應(yīng)用場景對(duì)數(shù)據(jù)采集速度的要求。

三、關(guān)鍵模塊解析

1. 輸入多路復(fù)用器

輸入多路復(fù)用器允許用戶在任意輸入通道上選擇各種差分輸入組合。對(duì)于ADS1243，最多可實(shí)現(xiàn)七個(gè)單端輸入通道或四個(gè)獨(dú)立的差分輸入通道；對(duì)于ADS1242，最多可實(shí)現(xiàn)三個(gè)單端輸入通道或兩個(gè)獨(dú)立的差分輸入通道。同時(shí)，通過同步MUX更改與轉(zhuǎn)換開始（DRDY信號(hào)下降沿），可以最小化建立誤差。

2. 燒斷電流源

燒斷電流源可用于檢測傳感器的短路或開路狀態(tài)。通過設(shè)置SETUP寄存器中的BOCS位，激活兩個(gè)2μA的電流源，分別連接到轉(zhuǎn)換器的正負(fù)輸入。當(dāng)傳感器開路時(shí)，轉(zhuǎn)換器輸出滿量程；當(dāng)傳感器短路時(shí)，輸出近似為零。

3. 輸入緩沖器

當(dāng)輸入緩沖器未啟用時(shí)，ADS1242/43的輸入阻抗約為5MΩ/PGA；啟用后，輸入阻抗可提高到約5GΩ，滿足對(duì)高輸入阻抗有要求的系統(tǒng)。緩沖器的輸入范圍約為50mV至$V_{D D}-1.5V$，超出此范圍線性度會(huì)下降。

4. 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。通過合理設(shè)置PGA增益，可以提高A/D轉(zhuǎn)換器的有效分辨率，例如在5V滿量程信號(hào)下，PGA = 1時(shí)可分辨到1μV；PGA = 128時(shí)，可分辨到75nV。

5. 偏移DAC

偏移DAC（ODAC）寄存器可將PGA的輸入偏移半個(gè)滿量程輸入范圍。ODAC是一個(gè)8位值，MSB為符號(hào)位，7個(gè)LSB提供偏移量的大小。在使用時(shí)，需要在校準(zhǔn)后啟用ODAC，以確保校準(zhǔn)效果。

6. 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SPEED位決定。不同的SPEED位設(shè)置會(huì)影響調(diào)制器的運(yùn)行頻率，從而影響數(shù)據(jù)輸出速率和抗干擾性能。

7. 校準(zhǔn)功能

ADS1242和ADS1243支持自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)。自校準(zhǔn)通過SELFGCAL、SELFOCAL和SELFCAL命令實(shí)現(xiàn)，可校正內(nèi)部偏移和增益誤差；系統(tǒng)校準(zhǔn)通過SYSOCAL和SYSGCAL命令實(shí)現(xiàn)，可校正內(nèi)部和外部的偏移和增益誤差。校準(zhǔn)應(yīng)在電源開啟、溫度變化或PGA改變后進(jìn)行。

8. 外部電壓參考

這兩款轉(zhuǎn)換器需要外部電壓參考，參考電壓通過ACR寄存器選擇。外部電壓參考為差分形式，引腳電壓范圍為GND至$V{DD}$，但不同的$V{DD}$和RANGE設(shè)置對(duì)差分$V_{REF}$有不同的限制。

9. 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。當(dāng)使用晶體作為時(shí)鐘源時(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。

10. 數(shù)字濾波器

ADS1242和ADS1243配備了1279抽頭的線性相位有限脈沖響應(yīng)（FIR）數(shù)字濾波器，用戶可根據(jù)需要配置不同的輸出數(shù)據(jù)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。

11. 數(shù)據(jù)I/O接口

ADS1242有四個(gè)引腳，ADS1243有八個(gè)引腳，這些引腳兼具模擬輸入和數(shù)據(jù)I/O的雙重功能。通過IOCON、DIR和DIO寄存器，可將這些引腳單獨(dú)配置為模擬輸入或數(shù)據(jù)I/O。

12. 串行外設(shè)接口（SPI）

SPI接口允許控制器與ADS1242和ADS1243進(jìn)行同步通信，工作在從機(jī)模式。標(biāo)準(zhǔn)的四線SPI接口（CS、SCLK、$D{IN}$和$D{OUT}$）確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

13. 數(shù)據(jù)就緒（DRDY）引腳

DRDY引腳作為狀態(tài)信號(hào)，用于指示內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好讀取。當(dāng)DOR寄存器中有新的數(shù)據(jù)字時(shí)，DRDY引腳變?yōu)榈碗娖剑蛔x取操作完成后，DRDY引腳恢復(fù)為高電平。

14. DSYNC操作

通過DSYNC命令可實(shí)現(xiàn)同步操作。發(fā)送DSYNC命令后，數(shù)字濾波器在命令的最后一個(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、寄存器配置與命令操作

1. 寄存器配置

ADS1242和ADS1243共有16個(gè)寄存器，用于配置器件的各種功能，如數(shù)據(jù)格式、多路復(fù)用器設(shè)置、校準(zhǔn)設(shè)置、數(shù)據(jù)速率等。每個(gè)寄存器都有其特定的功能和位定義，工程師需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行合理配置。

2. 命令操作

通過一系列控制命令，如RDATA、RDATAC、STOPC、RREG、WREG等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)換器的各種操作，如讀取數(shù)據(jù)、連續(xù)讀取數(shù)據(jù)、停止連續(xù)讀取、讀取寄存器、寫入寄存器等。

四、應(yīng)用實(shí)例

1. 通用電子秤

在通用電子秤應(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能夠直接連接到ADS1242的差分輸入，實(shí)現(xiàn)對(duì)重量的精確測量。

2. 高精度電子秤

對(duì)于高精度電子秤應(yīng)用，前端差分放大器可以幫助最大化動(dòng)態(tài)范圍，進(jìn)一步提高測量精度。

五、總結(jié)

ADS1242和ADS1243憑借其高精度、低功耗、豐富的功能特性和靈活的配置選項(xiàng)，成為了電子工程師在高精度測量和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中的理想選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理配置寄存器和命令，充分發(fā)揮這兩款轉(zhuǎn)換器的性能優(yōu)勢。同時(shí)，在使用過程中，還需要注意校準(zhǔn)、時(shí)鐘源選擇、電源管理等方面的問題，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

希望通過本文的介紹，能夠幫助電子工程師更好地了解和使用ADS1242和ADS1243這兩款優(yōu)秀的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在實(shí)際項(xiàng)目中取得更好的設(shè)計(jì)效果。你在使用這兩款轉(zhuǎn)換器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)留言分享。