在電子設計領域，高精度模擬 - 數字轉換器（ADC）是實現精確測量和數據采集的關鍵組件。ADS1255和ADS1256作為德州儀器（TI）推出的極低噪聲、24位ADC，為眾多對精度要求極高的應用提供了完整的高分辨率測量解決方案。今天，我們就來深入剖析這兩款優秀的ADC。

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一、產品概述

ADS1255和ADS1256在性能上極為相似，主要區別在于輸入通道數量和通用數字I/O引腳數量。ADS1255支持一個差分或兩個單端輸入，有兩個通用數字I/O引腳；而ADS1256支持四個差分或八個單端輸入，擁有四個通用數字I/O引腳。在后續內容中，我們將它們統稱為ADS1255/6。

（一）關鍵特性

1. 高精度：24位無失碼，最高可達23位無噪聲分辨率，非線性誤差最大僅±0.0010%，為高精度測量提供了堅實保障。
2. 高速轉換：數據輸出速率最高可達30kSPS，還具備快速通道切換功能，在1.45kHz時可實現18.6位無噪聲（21.3有效位）的轉換。
3. 靈活輸入：擁有靈活的輸入多路復用器，可進行傳感器檢測。ADS1256更是提供了四個差分輸入和八個單端輸入選項。
4. 低噪聲設計：采用斬波穩定輸入緩沖器和低噪聲PGA，輸入參考噪聲低至27nV。
5. 校準功能：支持所有PGA設置下的自校準和系統校準，有效減少誤差。
6. 接口兼容：具備5V容忍的SPI?兼容串行接口，方便與各種微控制器連接。
7. 低功耗：正常模式下功耗低至38mW，待機模式僅0.4mW，滿足低功耗應用需求。

（二）內部結構

ADS1255/6由一個四階Delta - Sigma（ΔΣ）調制器和一個可編程數字濾波器組成。輸入多路復用器可處理差分或單端信號，并包含檢測外部傳感器完整性的電路。可選的輸入緩沖器能大幅提高輸入阻抗，低噪聲可編程增益放大器（PGA）提供1至64的二進制增益。數字濾波器的數據速率可在2.5SPS至30kSPS之間編程，允許在分辨率和速度之間進行權衡。

二、電氣特性詳解

（一）輸入特性

1. 模擬輸入電壓范圍：滿量程輸入電壓為±2VREF / PGA，絕對輸入電壓在緩沖器關閉和開啟時有所不同。緩沖器關閉時，輸入電壓范圍為AGND - 0.1至AVDD + 0.1V；緩沖器開啟時，范圍為AGND至AVDD - 2.0V。
2. 可編程增益放大器（PGA）：PGA提供1至64的增益設置，不同增益下的輸入阻抗和性能有所差異。例如，緩沖器關閉且PGA = 1、2、4、8、16時，差分輸入阻抗為150/PGA kΩ；PGA = 32、64時，為4.7 kΩ；緩沖器開啟且fDATA ≤ 50Hz時，可達80MΩ。

（二）系統性能

1. 分辨率和線性度：分辨率為24位，在所有數據速率和PGA設置下無失碼。積分非線性誤差在不同PGA設置下表現出色，如PGA = 1時，最大為±0.0010% FSR；PGA = 64時，在噪聲水平上為±0.0007% FSR。
2. 偏移和增益誤差：校準后，偏移誤差和增益誤差都非常小。例如，PGA = 1時，偏移誤差為±100 nV/°C，增益誤差為±0.005%；PGA = 64時，偏移誤差為±4 nV/°C，增益誤差為±0.03%。
3. 噪聲性能：噪聲性能是衡量ADC的重要指標之一。ADS1255/6的噪聲性能可通過調整數據速率或PGA設置進行優化。數據速率降低時，噪聲相應下降；PGA可降低測量低電平信號時的輸入參考噪聲。文檔中提供了詳細的噪聲性能表格，展示了不同數據速率和PGA設置下的輸入參考噪聲、有效位數（ENOB）和無噪聲分辨率。

（三）電源特性

模擬電源為5V，數字電源范圍為1.8V至3.6V。不同工作模式下的功耗差異明顯，正常模式下功耗最低為38mW，待機模式僅0.4mW，這使得ADS1255/6在功耗敏感的應用中具有很大優勢。

三、功能模塊分析

（一）輸入多路復用器

輸入多路復用器允許將任意模擬輸入引腳連接到轉換器的差分輸入。ADS1256有九個模擬輸入，可配置為四個獨立差分輸入、八個單端輸入或兩者的組合；ADS1255有三個模擬輸入，可配置為一個差分輸入或兩個單端輸入。為獲得最佳模擬性能，建議在差分測量時使用AIN0至AIN7，最好是相鄰輸入；單端測量時使用AINCOM作為公共輸入，AIN0至AIN7作為單端輸入，并將未使用的模擬輸入引腳浮空。

（二）傳感器檢測

傳感器檢測電流源（SDCS）可用于驗證連接到ADS1255/6的外部傳感器的完整性。啟用SDCS后，會通過輸入多路復用器向傳感器提供約0.5μA、2μA或10μA的電流。此時，ADS1255/6會自動開啟模擬輸入緩沖器，以防止輸入電路對SDCS產生負載影響。

（三）模擬輸入緩沖器

通過STATUS寄存器中的BUFEN位可啟用低漂移斬波穩定緩沖器，以顯著提高ADS1255/6的輸入阻抗。緩沖器啟用時，輸入阻抗與數據速率和CLKIN頻率有關。同時，緩沖器啟用時，模擬輸入電壓必須保持在AGND至AVDD - 2.0V之間，否則會影響性能，特別是線性度。

（四）可編程增益放大器（PGA）

PGA為ADS1255/6提供了更高的分辨率，在測量較小輸入信號時尤為重要。為獲得最佳分辨率，應根據最大輸入信號選擇合適的PGA設置。ADS1255/6的滿量程輸入電壓為±2VREF / PGA，不同PGA設置下的滿量程輸入電壓在文檔中有詳細列表。改變PGA設置后，建議重新校準A/D轉換器，校準時間與PGA設置有關。

（五）調制器輸入電路

ADS1255/6調制器通過內部電容測量輸入信號，這些電容會不斷充電和放電。輸入采樣和放電過程分為兩個階段，采樣時間與PGA設置有關。充電過程會從傳感器汲取瞬態電流，可據此計算有效阻抗。

（六）電壓參考輸入

電壓參考輸入是ADS1255/6的關鍵部分，參考電壓為VREFP和VREFN之間的差分電壓。參考輸入使用的電路結構與模擬輸入類似，有效阻抗為18.5kΩ（fCLKIN = 7.68MHz），溫度系數約為35ppm/°C。在自增益校準期間，輸入多路復用器的所有開關會打開，VREFN內部連接到AINN，VREFP連接到AINP。為防止增益誤差，驅動參考引腳的電路應具備足夠的驅動能力。

（七）數字濾波器

可編程低通數字濾波器接收調制器輸出并產生高分辨率數字輸出。通過調整濾波量，可在分辨率和數據速率之間進行權衡。濾波器由固定濾波器和可編程濾波器兩部分組成，數據速率與平均次數有關。數字濾波器可衰減調制器輸出的噪聲，其帶寬可通過改變可編程濾波器的平均次數進行調整。濾波器在數據輸出速率及其倍數處有陷波，可用于消除特定干擾信號。

（八）建立時間

ADS1255/6的數字濾波器針對快速建立進行了優化，不同數據速率下的建立時間在文檔中有詳細表格。可通過SYNC/PDWN引腳或SYNC命令直接控制轉換時序，實現同步操作。在輸入多路復用器切換或從待機模式喚醒后，ADS1255/6會連續轉換模擬輸入，轉換與DRDY的下降沿同步。

四、通信與控制

（一）串行接口

ADS1255/6采用SPI兼容的串行接口，由CS、SCLK、DIN和DOUT四個信號組成，允許控制器與ADC進行通信。可編程功能通過片上寄存器控制，數據通過串行接口讀寫這些寄存器。DRDY輸出線用于指示轉換完成狀態，新數據可用時DRDY變低。

（二）命令定義

文檔中詳細列出了ADS1255/6的各種命令，如WAKEUP、RDATA、RDATAC、SDATAC等。這些命令可實現數據讀取、連續數據讀取、校準、同步、待機等功能。使用時需注意命令的時序和參數設置，確保通信正常。

（三）校準功能

ADS1255/6支持自校準和系統校準，可通過一系列命令實現，如SELFOCAL、SELFGCAL、SELFCAL、SYSOCAL和SYSGCAL。校準過程中，DRDY會變高，校準完成且數據穩定后變低。建議在電源穩定后上電時進行自校準，數據速率、緩沖器配置或PGA改變時也應進行校準。

五、應用建議

（一）硬件設計

為了充分發揮ADS1255/6的性能，在硬件設計時需要注意以下幾點：

1. 電源旁路：采用良好的電源旁路技術，使用小值陶瓷電容與大值鉭電容或大值低壓陶瓷電容并聯，并將電容靠近電源引腳放置。
2. 數字邏輯電壓：盡量降低數字邏輯的工作電壓，減少對模擬輸入的耦合影響。
3. 數字輸入抗干擾：在數字引腳串聯小電阻（≈100Ω），控制走線阻抗，避免數字輸入出現振鈴現象。
4. 參考和模擬輸入：參考和模擬輸入是最關鍵的電路，應使用低等效串聯電阻（ESR）的電容對電壓參考輸入進行旁路，并選擇低噪聲、低漂移的電壓參考源。

（二）PCB設計

PCB設計對ADS1255/6的性能也有重要影響。建議使用單一接地平面，將模擬和數字電源的旁路電容以及模擬調理電路與該接地平面共享，但要避免讓噪聲較大的數字組件（如微處理器）使用該接地平面。如果使用分割接地平面，需確保模擬和數字平面連接在一起，避免ADS1255/6的模擬和數字接地引腳（AGND和DGND）之間存在電壓差。

六、總結

ADS1255和ADS1256憑借其高精度、高速轉換、靈活輸入、低噪聲和低功耗等諸多優點，成為了眾多對精度要求極高的應用的理想選擇。無論是科學儀器、工業過程控制、醫療設備，還是測試測量、稱重秤等領域，ADS1255/6都能提供出色的性能表現。作為電子工程師，在設計相關應用時，深入了解和掌握ADS1255/6的特性和使用方法，將有助于我們設計出更加優秀的產品。

希望通過本文的介紹，能讓大家對ADS1255/6有更深入的認識。在實際應用中，大家如果遇到任何問題，歡迎在評論區留言討論。