在電子設計領域，高精度模擬到數字的轉換至關重要。德州儀器（TI）的ADS1255和ADS1256作為24位超低噪聲模數轉換器（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，我們就來深入了解這兩款轉換器的特點、工作原理以及應用要點。

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一、產品概述

ADS1255支持一個差分或兩個單端輸入，擁有兩個通用數字I/O；而ADS1256支持四個差分或八個單端輸入，具備四個通用數字I/O。除了輸入和I/O數量的差異，二者在其他方面基本相同，在本文中統一簡稱為ADS1255/6。

（一）產品特性

1. 高精度：具有24位分辨率，無丟碼現象，在所有數據速率和PGA設置下均可實現，最高可達23位無噪聲分辨率。
2. 低非線性：最大非線性誤差僅為±0.0010%，確保了測量的準確性。
3. 高速數據輸出：數據輸出速率最高可達30kSPS，滿足快速數據采集的需求。
4. 靈活的輸入配置：ADS1256擁有四個差分輸入或八個單端輸入，可根據實際需求靈活選擇。
5. 低噪聲PGA：輸入參考噪聲低至27nV，有效降低了噪聲干擾。
6. 自校準和系統校準：支持所有PGA設置下的自校準和系統校準，可有效校正偏移和增益誤差。
7. 低功耗：正常模式下功耗低至38mW，待機模式下僅為0.4mW，適合對功耗要求較高的應用。

（二）工作原理

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，并包含用于驗證連接到輸入的外部傳感器完整性的電路。可選的輸入緩沖器可顯著提高輸入阻抗，低噪聲可編程增益放大器（PGA）提供1到64的二進制增益。可編程濾波器允許用戶在高達23位的無噪聲分辨率和高達30kSPS的數據速率之間進行優化。

二、關鍵性能指標分析

（一）電氣特性

1. 模擬輸入：滿量程輸入電壓為±2VREF/PGA，輸入電壓范圍受緩沖器狀態影響。當緩沖器關閉時，絕對輸入電壓范圍為AGND - 0.1到AVDD + 0.1V；當緩沖器開啟時，范圍為AGND到AVDD - 2.0V。
2. PGA：增益范圍為1到64，不同增益設置下的輸入阻抗和性能有所差異。在選擇PGA時，應根據最大輸入信號來確定最佳設置，以獲得最高分辨率。
3. 系統性能：分辨率為24位，無丟碼現象。數據速率可在2.5SPS到30kSPS之間編程，積分非線性誤差在不同PGA設置下有所不同。
4. 電壓參考輸入：參考輸入電壓范圍為0.5到2.6V，參考輸入阻抗為18.5kΩ（fCLKIN = 7.68MHz）。在進行自增益校準時，參考輸入范圍會受到緩沖器狀態的限制。

（二）噪聲性能

ADS1255/6的噪聲性能出色，可通過調整數據速率或PGA設置進行優化。隨著數據速率的降低，噪聲相應降低；PGA可在測量較低電平信號時降低輸入參考噪聲。文檔中提供了不同數據速率和PGA設置下的輸入參考噪聲、有效位數（ENOB）和無噪聲分辨率的詳細表格，為工程師在實際應用中選擇合適的參數提供了依據。

三、功能模塊詳解

（一）輸入多路復用器

輸入多路復用器允許任何模擬輸入引腳連接到轉換器的差分輸入，可靈活配置為差分或單端輸入。ADS1256提供九個模擬輸入，可配置為四個獨立的差分輸入、八個單端輸入或兩者的組合；ADS1255提供三個模擬輸入，可配置為一個差分輸入或兩個單端輸入。為了獲得最佳模擬性能，建議在差分測量時使用AIN0到AIN7，最好是相鄰的輸入；在單端測量時，使用AINCOM作為公共輸入，AIN0到AIN7作為單端輸入。

（二）開/短路傳感器檢測

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。當SDCS啟用時，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。在SDCS啟用時，ADS1255/6會自動打開模擬輸入緩沖器，以防止輸入電路對SDCS產生負載。

（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，以顯著增加ADS1255/6的輸入阻抗。緩沖器啟用時，輸入阻抗可根據不同的數據速率設置進行調整，最高可達80MΩ（fCLKIN = 7.68MHz，數據速率≤50SPS）。但需要注意的是，緩沖器啟用時，模擬輸入電壓必須保持在AGND到AVDD - 2.0V之間，否則會影響性能。

（四）可編程增益放大器（PGA）

PGA可在測量較小輸入信號時提供更高的分辨率。ADS1255/6的滿量程輸入電壓為±2VREF/PGA，應根據最大輸入信號選擇最佳的PGA設置。改變PGA設置后，建議重新校準A/D轉換器，以確保測量的準確性。

（五）調制器輸入電路

ADS1255/6的調制器使用內部電容器來測量輸入信號，這些電容器會不斷充電和放電。輸入采樣時間和電容器值與PGA設置有關，不同PGA設置下的輸入采樣時間和電容器值在文檔中有詳細表格。輸入電容器的充電會從驅動ADS1255/6輸入的傳感器中吸取瞬態電流，可根據該電流計算有效阻抗。

（六）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。濾波器由一個固定濾波器和一個可編程濾波器組成，數據速率與可編程濾波器的平均次數有關。數字濾波器可衰減調制器輸出上的噪聲，其低通特性在調制器速率的倍數處重復。

四、時序與控制

（一）串行接口

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ADS1255/6進行通信。可編程功能通過一組片上寄存器進行控制，數據通過串行接口寫入和讀取這些寄存器。DRDY輸出線用于指示轉換是否完成，當新數據可用時，DRDY變為低電平。

（二）同步與轉換控制

ADS1255/6支持同步功能，可通過SYNC/PDWN引腳或SYNC命令實現。同步操作可協調A/D轉換與外部事件，并在模擬輸入發生瞬時變化后加快穩定時間。此外，還支持單周期穩定功能，可通過不同的方式控制轉換過程，如使用同步、輸入多路復用器或單觸發模式。

（三）校準

ADS1255/6支持自校準和系統校準，可通過一組五個命令（SELFOCAL、SELFGCAL、SELFCAL、SYSOCAL和SYSGCAL）實現。校準可在任何時候進行，但在許多應用中，由于ADS1255/6的漂移性能較低，一次校準通常就足夠了。建議在電源上電且參考電壓穩定后執行自校準命令。

五、應用建議

（一）硬件設計

為了獲得ADS1255/6的最佳性能，需要注意其支持電路和印刷電路板（PCB）設計。建議使用單一接地平面用于模擬和數字電源，并與旁路電容器和模擬調理電路共享。避免將該接地平面用于嘈雜的數字組件，如微處理器。同時，要注意電源旁路、參考和模擬輸入的處理，使用低等效串聯電阻（ESR）的電容器進行旁路，確保參考電壓的低噪聲和低漂移。

（二）數字接口連接

ADS1255/6的5V容忍SPI、QSPI和MICROWIRE兼容接口可輕松連接到各種微控制器。文檔中提供了與TI的MSP430系列低功耗微控制器、具有SPI接口的微控制器（如TI的MSC12xx系列或68HC11系列）以及8xC51 UART的連接示例。

六、總結

ADS1255和ADS1256以其高精度、低噪聲、靈活的輸入配置和低功耗等特性，成為眾多高精度測量應用的理想選擇。在實際設計中，工程師需要根據具體需求合理選擇參數，注意硬件設計和接口連接，以充分發揮這兩款轉換器的性能。希望本文能為電子工程師在使用ADS1255/6時提供有價值的參考。你在使用這兩款轉換器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。