在電子工程領域，高精度的模數轉換器（ADC）對于許多應用來說至關重要。今天我們要詳細探討的是德州儀器（TI）的ADS1230，一款專為橋式傳感器設計的20位高精度ADC。

文件下載：ads1230.pdf

一、ADS1230概述

ADS1230是一款精密的20位ADC，集成了低噪聲可編程增益放大器（PGA）、內部振蕩器、三階ΔΣ調制器和四階數字濾波器。它為橋式傳感器應用，如稱重秤、應變計和壓力傳感器，提供了完整的前端解決方案。

二、關鍵特性

2.1 集成前端

ADS1230具備完整的橋式傳感器前端，片上PGA增益可選64或128，能支持±39mV（G = 64）或±19.5mV（G = 128）的滿量程差分輸入。

2.2 低噪聲性能

在不同數據速率和增益設置下，ADS1230展現出出色的噪聲性能。例如，在10SPS、G = 128時，RMS噪聲低至40nV；在80SPS、G = 128時，RMS噪聲為88nV。它還能實現18位無噪聲分辨率。

2.3 可選數據速率

支持10SPS和80SPS兩種數據速率。10SPS數據速率下，可同時抑制50Hz和60Hz干擾，適用于對噪聲和干擾敏感的應用；80SPS數據速率則滿足對速度有要求的場景。

2.4 電壓參考

支持最高5V的外部電壓參考，可用于比例測量。

2.5 簡單控制

所有功能通過專用引腳控制，無需編程數字寄存器，易于配置。

2.6 串行接口

采用簡單的兩線串行數字接口，可直接連接MSP430等微控制器。

2.7 封裝與工作范圍

采用小巧的16引腳TSSOP封裝，工作溫度范圍為 -40°C至 +85°C，電源電壓范圍為2.7V至5.3V。

三、電氣特性

3.1 模擬輸入

可接受差分輸入信號，也能測量單極性信號。當測量單極性信號時，將負輸入（AINN）接地，正輸入（AINP）連接輸入信號，但此時僅使用轉換器滿量程范圍的一半。

3.2 系統性能

• 分辨率：無丟失碼，達到20位。
• 數據速率：由SPEED引腳設置，內部振蕩器或4.9152MHz晶振時，SPEED為低時數據速率為10SPS，高時為80SPS；外部振蕩器時，數據速率與時鐘頻率相關。
• 數字濾波器建立時間：全建立需要4次轉換。
• 積分非線性（INL）：在不同增益下，INL指標優秀，如G = 64時為±10ppm，G = 128時為±6ppm。
• 輸入失調誤差和漂移：輸入失調誤差為±3ppm of FS，輸入失調漂移為±10nV/°C。
• 增益誤差和漂移：增益誤差為±0.8%，增益漂移為±4ppm/°C。
• 共模和差模抑制：在特定條件下，共模抑制比和差模抑制比表現出色，如在DC、AVDD = 0.1V時，共模抑制比為110dB；內部振蕩器、fIN = 50Hz或60Hz ±1Hz、fDATA = 10SPS時，差模抑制比為80 - 90dB。
• 電源抑制：在DC、AVDD = 0.1V時，電源抑制比為90 - 100dB。

3.3 電壓參考輸入

電壓參考由REFP和REFN之間的電壓差產生，VREF = REFP - REFN。參考輸入使用類似模擬輸入的結構，采用開關緩沖電路提高輸入阻抗。

3.4 數字特性

邏輯電平、輸入泄漏、外部時鐘輸入頻率和串行時鐘輸入頻率等都有明確的規格要求。例如，所有數字輸入（除CLKIN）的高電平范圍為0.7DVDD至DVDD + 0.1V，CLKIN的高電平范圍為0.7DVDD至5.1V。

3.5 電源特性

電源電壓范圍為2.7V至5.3V，不同電源模式下的電流消耗不同。正常模式下，模擬電源電流在AVDD = 3V或5V時為900 - 1400μA，數字電源電流在DVDD = 3V時為60 - 100μA，DVDD = 5V時為95 - 140μA；待機模式和掉電模式下電流消耗極低。

四、引腳配置與功能

4.1 引腳配置

ADS1230采用TSSOP - 16封裝，各引腳具有特定功能，如DVDD為數字電源，DGND為數字地，CLKIN為外部時鐘輸入，GAIN用于選擇PGA增益，SPEED用于設置數據速率等。

4.2 引腳功能詳解

• GAIN引腳：0選擇增益64，1選擇增益128。
• SPEED引腳：0對應10SPS數據速率，1對應80SPS數據速率。
• PDWN引腳：低電平使整個轉換器掉電并復位ADC。
• SCLK引腳：上升沿輸出數據，還用于啟動失調校準和睡眠模式。
• DRDY/DOUT引腳：低電平表示數據就緒，在SCLK第一個上升沿開始輸出轉換數據，MSB優先。

五、噪聲性能

ADS1230在不同電源電壓和數據速率下的噪聲性能通過表格詳細給出。例如，在AVDD = 5V、VREF = 5V時，10SPS、G = 64的RMS噪聲為53nV，峰 - 峰值噪聲為290nV；80SPS、G = 64的RMS噪聲為100nV，峰 - 峰值噪聲為480nV。

六、典型特性

文檔提供了多個典型特性圖，包括噪聲圖、噪聲直方圖、失調與溫度關系、增益誤差與溫度關系、噪聲與輸入信號關系、積分非線性與輸入信號關系、模擬和數字電流與溫度關系以及數據速率與溫度關系等。這些特性圖有助于工程師更好地了解ADS1230在不同條件下的性能表現。

七、工作原理與操作

7.1 模擬輸入處理

輸入信號通過AINP和AINN引腳輸入，PGA對信號進行放大，其內部結構由兩個斬波穩定放大器和三個精確匹配的電阻組成，輸入配備EMI濾波器，可防止信號損壞輸入電路。

7.2 旁路電容

通過在兩個電容引腳之間連接0.1μF外部電容和內部2kΩ電阻，形成720Hz的低通濾波器，可防止混疊、濾除高頻噪聲并改善溫度漂移性能。

7.3 電壓參考輸入

參考輸入使用開關緩沖電路提高阻抗，參考漂移和噪聲會影響ADC性能，需關注參考噪聲和漂移規格。

7.4 時鐘源

可使用外部時鐘源或內部振蕩器。CLKIN引腳頻率高于~200kHz時，內部振蕩器關閉；低于~200kHz時，內部振蕩器激活。建議選擇內部振蕩器時將CLKIN引腳接地。

7.5 頻率響應

采用sinc4數字濾波器，頻率響應在調制器采樣頻率的倍數處重復。10SPS數據速率下， - 3dB截止頻率為3.32Hz；80SPS數據速率下， - 3dB截止頻率為11.64Hz。在10SPS數據速率下，可同時抑制50Hz和60Hz干擾。

7.6 建立時間

輸入發生大變化時，需要四個數據轉換周期建立。連續轉換時，可能需要五個讀數才能穩定數據。

7.7 數據格式

輸出20位二進制補碼數據，LSB權重為0.5VREF / (2^19 - 1)。不同輸入信號對應特定的理想輸出代碼。

7.8 數據讀取

等待DRDY/DOUT引腳變低后，通過施加SCLK信號讀取數據，MSB優先。可選擇讀取20位或24位數據，但需在新數據更新前完成讀取，否則數據將被覆蓋。

7.9 失調校準

在讀取20位數據和四位'1'后，施加至少兩個額外的SCLK信號可啟動失調校準。校準完成后，DRDY/DOUT引腳變低表示新數據就緒。

7.10 待機模式

將SCLK引腳保持高電平可進入待機模式，此時大部分電路關閉，僅時鐘源電路工作。退出待機模式后，第一個數據有效。

7.11 帶失調校準的待機模式

在進入待機模式時，移位25個SCLK信號并將SCLK引腳置高，喚醒后自動進行失調校準。校準后第一個數據可直接使用。

7.12 上電和掉電模式

上電時，AVDD和DVDD必須先上電，PDWN引腳再變高。可使用RC延遲電路控制PDWN引腳。掉電模式下，將PDWN引腳保持低電平，可關閉整個ADC電路，降低功耗并復位電路。

八、應用示例

以稱重秤系統為例，ADS1230可配置為10SPS數據速率，PGA = 128。對于典型的2mV/V負載單元，在+5V激勵電壓下，最大輸出信號約為10mV。通過相關公式計算，在軟件濾波/平均的情況下，可獲得95,058個無噪聲計數。

九、總結

ADS1230憑借其高精度、低噪聲、靈活的配置和簡單的控制方式，成為橋式傳感器應用的理想選擇。無論是在工業過程控制、稱重系統還是壓力測量等領域，都能發揮出色的性能。電子工程師在設計相關系統時，可充分利用ADS1230的特性，實現高精度的數據采集和處理。在實際應用中，還需根據具體需求合理選擇時鐘源、數據速率、增益等參數，并注意引腳的正確連接和操作順序，以確保系統的穩定性和可靠性。大家在使用ADS1230的過程中，有沒有遇到過什么特別的問題或者有獨特的應用經驗呢？歡迎在評論區分享交流。