德州儀器ADS7871：14位48KSPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的深度剖析

在電子工程師的日常工作中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個至關(guān)重要的組成部分。今天，我們將深入探討德州儀器（Texas Instruments）的ADS7871，一款功能強(qiáng)大的14位、48KSPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、多路復(fù)用器（MUX）、可編程增益放大器（PGA）和參考電壓源等多種功能。

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一、關(guān)鍵特性

1. 可編程增益放大器（PGA）

PGA提供了1、2、4、5、8、10、16和20 V/V的增益選擇，能夠適應(yīng)不同幅度的輸入信號。對于低電平信號，無需在信號源和A/D輸入之間進(jìn)行外部放大或阻抗緩沖，因?yàn)镻GA具有高輸入阻抗、出色的增益精度、良好的共模抑制和低噪聲特性。其失調(diào)電壓會自動歸零，低至125 mV的信號也能產(chǎn)生滿量程數(shù)字輸出。

2. 可編程輸入配置

支持多達(dá)4通道差分輸入、8通道單端輸入或它們的組合，提供了靈活的輸入配置選項(xiàng)，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。

3. 內(nèi)部參考電壓

具備1.15 V、2.048 V或2.5 V的內(nèi)部參考電壓，經(jīng)過微調(diào)以確保高初始精度和溫度穩(wěn)定性，典型漂移為10 ppm/°C。在多個ADS7871共享公共參考的情況下，也可以使用外部參考電壓。

4. 串行接口

SPI/DSP兼容的串行接口（≤20 MHz），支持SPI?、QSPI?、Microwire?和8051 - 家族協(xié)議，無需額外的膠合邏輯。

5. 高吞吐量

吞吐量速率可達(dá)48 kSamples/sec，能夠快速采集數(shù)據(jù)。

6. 錯誤過載指示

提供錯誤過載指示器，方便工程師及時發(fā)現(xiàn)和處理異常情況。

7. 可編程輸出格式

輸出可以編程為2s補(bǔ)碼或二進(jìn)制格式。

8. 單電源供電

支持2.7 V至5.5 V的單電源操作，適用于各種電源環(huán)境。

9. 4位數(shù)字I/O

通過串行接口提供4位數(shù)字輸入/輸出，方便與其他設(shè)備進(jìn)行通信。

10. 引腳兼容

與ADS7870引腳兼容，便于進(jìn)行升級和替換。

11. 封裝形式

采用SSOP - 28封裝，體積小巧，適合空間受限的應(yīng)用。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

1. 便攜式電池供電系統(tǒng)

由于其低功耗特性，ADS7871非常適合用于便攜式設(shè)備，如手持儀器、移動醫(yī)療設(shè)備等，能夠延長電池續(xù)航時間。

2. 低功耗儀器儀表

在低功耗的儀器儀表中，如傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測設(shè)備等，ADS7871可以提供高精度的數(shù)據(jù)采集功能。

3. 低功耗控制系統(tǒng)

在工業(yè)控制、智能家居等領(lǐng)域的低功耗控制系統(tǒng)中，ADS7871能夠準(zhǔn)確采集傳感器數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)的控制決策提供依據(jù)。

4. 智能傳感器應(yīng)用

與各種智能傳感器配合使用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理，提高傳感器的智能化水平。

三、詳細(xì)描述

1. 整體架構(gòu)

ADS7871是一款單芯片的低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由4通道差分/8通道單端多路復(fù)用器、精密可編程增益放大器、14位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器和精密電壓參考源組成。

2. 多路復(fù)用器（MUX）

ADS7871有8個模擬信號輸入引腳（LN0 - LN7），通過模擬開關(guān)網(wǎng)絡(luò)（MUX塊）進(jìn)行控制。這些輸入可以配置為8個單端輸入、4個差分輸入或它們的組合。輸入信號的線性范圍為GND - 0.2 V至 (V_{DD}+0.2 V) ，并且可以通過命令改變差分信號的極性。輸入引腳還配備了ESD保護(hù)電路，以防止靜電損壞。

3. 轉(zhuǎn)換時鐘（CCLK）

電壓參考源、PGA和A/D轉(zhuǎn)換器都使用轉(zhuǎn)換時鐘（CCLK）及其衍生信號。CCLK引腳可以作為輸入或輸出。當(dāng)OSC ENABLE引腳為低電平時，CCLK為輸入，ADS7871依靠外部時鐘進(jìn)行轉(zhuǎn)換；當(dāng)OSC ENABLE為高電平或寄存器7中的OSCE位（D4）設(shè)置為1時，內(nèi)部振蕩器和內(nèi)部緩沖器啟用，CCLK引腳作為輸出。內(nèi)部參考源需要連續(xù)時鐘，可以由內(nèi)部振蕩器獨(dú)立提供。ADS7871還可以對CCLK信號進(jìn)行分頻，以滿足不同的工作頻率需求，最大DCLK頻率為2.5 MHz，最小DCLK頻率為100 kHz。

4. 電壓參考和緩沖放大器

ADS7871采用了帶隙參考的專利開關(guān)電容實(shí)現(xiàn)方式，其輸出電壓可以通過軟件配置為1.15 V、2.048 V或2.5 V（默認(rèn)）。內(nèi)部參考輸出（VREF）不能直接驅(qū)動典型負(fù)載，需要使用單獨(dú)的緩沖放大器來提供負(fù)載電流。內(nèi)部參考緩沖器（REFBUF）可以提供數(shù)十毫安的電流來快速充電濾波電容，但通常只能吸收200 μA的電流。

5. 可編程增益放大器（PGA）

PGA提供1、2、4、5、8、10、16和20 V/V的增益，是一種單電源、軌到軌輸入、自動歸零、基于電容的儀表放大器。通過監(jiān)測輸出數(shù)據(jù)的最低有效位（OVL位），可以檢測PGA輸出是否達(dá)到削波或非線性操作。當(dāng)OVL位為1時，表示可能存在故障，這有助于系統(tǒng)進(jìn)行自動量程調(diào)整。

6. A/D轉(zhuǎn)換器

ADS7871中的14位A/D轉(zhuǎn)換器是逐次逼近型，輸出為2s補(bǔ)碼格式，可以通過串行接口以MSB或LSB優(yōu)先的方式讀取。根據(jù)輸入多路復(fù)用器的配置，A/D轉(zhuǎn)換器具有不同的傳輸函數(shù)：

• 差分輸入時： (-8192 leq Code leq 8191) ，對于 (frac{-V{REF }}{G} leq V{IN } leq frac{V_{REF}-1 LSB}{G})
• 單端輸入時： (0 leq Code leq 8191) ，對于 (0 leq V{IN} leq frac{V{REF}-1 LSB}{G})

7. 轉(zhuǎn)換周期

一個轉(zhuǎn)換周期需要50個DCLK，其中PGA操作需要36個DCLK，用于捕獲輸入信號、自動歸零、電平轉(zhuǎn)換和放大輸入信號；逐次逼近寄存器（SAR）轉(zhuǎn)換器需要14個DCLK。在轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，所選MUX輸入的內(nèi)部電容負(fù)載在6 pF至9.7 pF之間變化。為了減少DCLK轉(zhuǎn)換時的電壓變化，建議在差分輸入之間連接一個10 - nF至100 - nF的電容，同時起到濾波和抗混疊的作用。對于源阻抗大于2 kΩ的情況，需要相應(yīng)降低CCLK頻率以確保足夠的建立時間。

四、電氣特性

1. 模擬輸入特性

• 輸入電壓范圍：線性操作時為 (-0.2 V) 至 (V_{DD}+0.2 V)
• 輸入電容：約4 pF
• 輸入阻抗：共模為7 MΩ，差分為7 MΩ
• 通道間串?dāng)_：在 (VI = 2 VPP) 、60 Hz時為100 dB
• 最大泄漏電流：100 pA

2. 靜態(tài)精度

• 分辨率：14位
• 無缺失碼：13位（增益1 - 20 V/V）
• 積分線性度： (-4) 至 (± 2) 至4 LSB（增益1 - 20 V/V）
• 差分線性度： (-2) 至 (± 0.5) 至4 LSB（增益1 - 20 V/V）
• 失調(diào)誤差： (-24) 至 (± 1) 至24 LSB（增益1 - 20 V/V）
• 滿量程增益誤差：根據(jù)不同的增益和配置，范圍在 (-0.4) 至 (0.4) %FSR之間

3. 動態(tài)特性

• 吞吐量速率：連續(xù)模式下單通道為48 ksample/s，地址模式下不同通道也可達(dá)48 ksample/s
• 內(nèi)部振蕩器頻率：2.5 MHz
• 串行接口時鐘（SCLK）：最大20 MHz
• 數(shù)據(jù)建立時間：10 ns
• 數(shù)據(jù)保持時間：10 ns

4. 數(shù)字輸入輸出特性

• 邏輯電平：低電平輸入電壓 (VIL) 最大為0.8 V，高電平輸入電壓 (VIH) 根據(jù) (VDD) 不同分別為2 V（ (VDD ≤ 3.6 V) ）和3 V（ (VDD > 3.6 V) ）
• 低電平輸入電流 (IIL) 和高電平輸入電流 (IIH) 均為1 μA
• 數(shù)據(jù)編碼：二進(jìn)制2s補(bǔ)碼
• 低電平輸出電壓 (VOL) ：根據(jù)負(fù)載電流不同，分別為0.4 V（ (ISINK = 5 mA) ）和0.8 V（ (ISINK = 16 mA) ）
• 高電平輸出電壓 (VOH) ： (ISOURCE = 5 mA) 時為4.6 V
• 泄漏電流：高阻態(tài)下 (VO = 0 V) 至 (VDD) 時為1 LA
• 輸出電容：5 pF

5. 電壓參考特性

• 輸出電壓精度：在不同的參考電壓設(shè)置下，誤差范圍在 (-0.25) 至 (±0.05) 至0.25 %FSR之間
• 輸出驅(qū)動： (±0.6) uA

6. 參考緩沖器特性

• 輸入電壓范圍：0.9 V至 (VDD - 0.2 V)
• 輸入阻抗：1000 GΩ
• 輸入失調(diào)： (-10) 至 (±1) 至10 mV
• 輸出電壓精度與溫度關(guān)系：在 (VREF = 2.048 V) 和2.5 V時，誤差范圍在 (-0.25) 至 (±0.05) 至0.25 %FSR之間，溫度系數(shù)為10至50 ppm/°C
• 輸出驅(qū)動：20 mA

7. 電源要求

• 電源電壓：2.7 V至5.5 V
• 電源電流：1 - kHz采樣率時，REF和BUF開啟、內(nèi)部振蕩器開啟為1.2 mA；48 - kHz采樣率時，REF和BUF開啟、外部CCLK為1.7至2 mA；掉電模式下為1 uA
• 功耗：1 - kHz采樣率時為6 mW；48 - kHz采樣率時為8.5至11 mW；掉電模式下為5 μW

8. 溫度范圍

• 工作溫度范圍： (-40^{circ} C) 至85 °C
• 存儲溫度范圍： (-65^{circ} C) 至150 °C
• 熱阻：65 °C/W

五、引腳分配

ADS7871共有28個引腳，每個引腳都有其特定的功能：

• 模擬輸入引腳（LN0 - LN7）：用于連接模擬信號源。
• 復(fù)位引腳（RESET）：主復(fù)位，將所有寄存器清零。
• 上升/下降沿選擇引腳（RISE/FALL）：設(shè)置SCLK的有效邊沿。
• 數(shù)字輸入/輸出引腳（I/O0 - I/O3）：可作為數(shù)字輸入或輸出信號。
• 接地引腳（GND）：連接到地。
• 轉(zhuǎn)換啟動引腳（CONVERT）：從0到1的轉(zhuǎn)換啟動一個轉(zhuǎn)換周期。
• 忙狀態(tài)引腳（BUSY）：高電平表示轉(zhuǎn)換器正在工作。
• 振蕩器使能引腳（OSC ENABLE）：控制CCLK是作為輸入還是輸出。
• 轉(zhuǎn)換時鐘引腳（CCLK）：根據(jù)OSC ENABLE的狀態(tài)，可作為輸入或輸出。
• 串行時鐘引腳（SCLK）：串行數(shù)據(jù)輸入/輸出傳輸時鐘。
• 串行數(shù)據(jù)輸入引腳（DIN）：在3線模式下用于串行數(shù)據(jù)輸入，在2線模式下也可作為串行數(shù)據(jù)輸出。
• 串行數(shù)據(jù)輸出引腳（DOUT）：串行數(shù)據(jù)輸出。
• 芯片選擇引腳（CS）：低電平時啟用串行接口。
• 電源引腳（VDD）：電源電壓，范圍為2.7 V至5.5 V。
• 電壓參考引腳（VREF）：2.048 V/2.5 V片上電壓參考。
• 參考緩沖器輸入引腳（BUFIN）：參考緩沖放大器的輸入。
• 參考緩沖器輸出/參考輸入引腳（BUFOUT/REFIN）：參考緩沖放大器的輸出和ADC的參考輸入。

六、總結(jié)

ADS7871是一款功能強(qiáng)大、性能出色的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有靈活的輸入配置、高精度的信號處理能力和低功耗特性。它在便攜式設(shè)備、儀器儀表、控制系統(tǒng)和智能傳感器等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。作為電子工程師，在設(shè)計相關(guān)系統(tǒng)時，需要充分考慮其電氣特性、引腳功能和應(yīng)用場景，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用ADS7871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。