在電子設計領域，模擬到數字的轉換是一個關鍵環節，而合適的模數轉換器（ADC）能為設計帶來事半功倍的效果。今天，我們就來深入探討德州儀器（Texas Instruments）推出的ADS1000，一款具有 $I^{2}C^{TM}$ 接口的低功耗12位模數轉換器。

文件下載：ads1000.pdf

產品概述

ADS1000采用小巧的SOT - 23封裝，卻集成了完整的12位數據采集系統。它具有低電流消耗的特點，僅需90μA，積分非線性誤差最大為1LSB。其單周期轉換功能搭配可編程增益放大器，增益可選1、2、4或8，數據速率達128SPS。此外，它擁有 $I^{2}C$ 接口，提供兩個可用地址，電源范圍為2.7V至5.5V，并且與16位的ADS1100引腳和軟件兼容。這些特性使得ADS1000在電壓監測、電池管理、工業過程控制、消費品和溫度測量等領域都有廣泛的應用。

關鍵特性剖析

低功耗與高性能

低電流消耗是ADS1000的一大亮點，這使得它在對功耗要求較高的應用場景中表現出色，例如便攜式設備。同時，其12位的分辨率和低積分非線性誤差能夠保證測量的精度，為系統提供準確的數據。

可編程增益放大器

可編程增益放大器為用戶提供了更多的靈活性。通過設置不同的增益值，可以適應不同幅度的輸入信號，從而提高測量的分辨率和準確性。比如，對于較小的信號，可以選擇較高的增益值進行放大，以便更精確地測量。

$I^{2}C$ 接口

$I^{2}C$ 接口是一種常用的串行通信接口，具有簡單、方便的特點。ADS1000的 $I^{2}C$ 接口支持兩個可用地址，這意味著在同一總線上可以連接多個ADS1000設備，增加了系統的擴展性。而且，它與標準、快速和高速模式的 $I^{2}C$ 控制器都能直接接口，兼容性良好。

工作原理詳解

模數轉換核心

ADS1000采用開關電容輸入級，對于外部電路來說，它大致相當于一個電阻，其阻值取決于電容值和開關頻率。開關時鐘由板載時鐘發生器產生，頻率通常為275kHz，且受電源電壓和溫度的影響。不同的增益設置會影響電容值，進而影響輸入阻抗。對于增益設置為PGA的情況，差分輸入阻抗典型值為2.4MΩ/PGA，共模阻抗典型值為8MΩ。

輸出代碼計算

ADS1000以二進制補碼格式輸出代碼，輸出代碼范圍為 - 2048至2047，計算公式為 $Output Code =2048(PGA)\left(\frac{V{IN+}-V{IN^{-}}}{V_{DD}}\right)$。通過這個公式，我們可以根據輸入電壓和電源電壓計算出對應的輸出代碼。

時鐘發生器

板載時鐘發生器是ADS1000的重要組成部分，其數據速率會隨電源電壓和溫度發生變化。需要注意的是，ADS1000不能使用外部時鐘，只能依靠內部時鐘發生器工作。

工作模式

ADS1000有連續轉換和單轉換兩種工作模式。在連續轉換模式下，它會持續進行轉換，轉換完成后將結果存入輸出寄存器，并立即開始下一次轉換。此時，配置寄存器中的ST/BSY位始終為'1'。而在單轉換模式下，ADS1000會等待轉換寄存器中的ST/BSY位被設置為'1'，然后啟動一次轉換，轉換完成后將結果存入輸出寄存器，將ST/BSY位復位為'0'并進入低功耗狀態。

寄存器配置

ADS1000有輸出寄存器和配置寄存器兩個可通過 $I^{2}C$ 端口訪問的寄存器。

輸出寄存器

16位的輸出寄存器以二進制補碼格式存儲最后一次轉換的結果，輸出代碼右對齊并進行符號擴展。復位或上電后，輸出寄存器會清零，直到第一次轉換完成。

配置寄存器

8位的配置寄存器用于控制ADS1000的工作模式和PGA設置，默認設置為80H。其中，位1和0控制增益設置，位7的ST/BSY位在不同工作模式下有不同的含義。在單轉換模式下，寫入'1'會啟動轉換；在連續轉換模式下，寫入的值會被忽略。讀取時，ST/BSY位可以指示A/D轉換器是否正在進行轉換。

應用電路設計

基本連接

ADS1000的基本連接非常簡單，其全差分電壓輸入適合連接到源阻抗適中的差分源，如橋式傳感器和熱敏電阻。在轉換過程中，它會產生短時的電流尖峰，因此需要一個0.1μF的旁路電容來提供額外的電流。同時，由于 $I^{2}C$ 總線驅動是開漏的，SDA和SCL線上需要上拉電阻，電阻的大小要根據總線工作速度和總線電容來選擇。

多設備連接

在同一總線上連接多個ADS1000設備也很容易，只需確保它們的地址不同即可。需要注意的是，每條總線只需要一組上拉電阻，并且為了補償多個設備帶來的額外總線電容和線長增加的影響，可能需要適當降低上拉電阻的值。

單端輸入

雖然ADS1000是全差分輸入，但它也可以輕松測量單端信號。通過將一個輸入引腳接地，另一個引腳連接輸入信號即可。不過，這種方式會損失一位分辨率，可以使用DRV134平衡線驅動器或THS4130差分放大器來恢復分辨率。

低側電流監測

對于低側分流型電流監測應用，可以使用ADS1000讀取分流電阻上的電壓。推薦將ADS1000的增益設置為8，同時降低OPA335低漂移運算放大器的增益，以確保系統的性能。

設計注意事項

過壓保護

ADS1000的模擬輸入雖然有保護二極管，但電流處理能力有限。長時間超過電源軌約300mV的模擬輸入電壓可能會永久損壞器件。因此，建議在輸入線上放置限流電阻，以保護器件。

電源濾波

ADS1000以電源作為參考電壓，因此電源的質量對其性能至關重要。使用電源濾波電容時，應將其靠近 $V_{DD}$ 引腳放置，避免在電容和引腳之間放置過孔，并盡量加寬連接引腳的走線。

前端電路性能

如果使用運算放大器或其他前端電路與ADS1000配合使用，一定要考慮這些電路的性能特性，因為整個系統的性能取決于最薄弱的環節。

ADS1000憑借其低功耗、高性能、靈活的配置和廣泛的應用場景，成為電子工程師在模數轉換設計中的一個優秀選擇。在實際應用中，我們需要根據具體的需求合理配置和使用它，并注意相關的設計事項，以充分發揮其優勢。你在使用ADS1000的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。