在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是連接現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界的關(guān)鍵橋梁。今天，我們要深入探討一款功能強(qiáng)大的低功耗數(shù)據(jù)采集芯片——ADS7871，它由德州儀器（Texas Instruments）推出，集成了多種功能，為工程師們提供了高效、可靠的數(shù)據(jù)采集解決方案。

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一、概述

ADS7871是一款單芯片的低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，融合了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（PGA）、14位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）以及精密電壓基準(zhǔn)。它基于ADS7870設(shè)計(jì)，具有相似的接口、功能和引腳布局，但在一些細(xì)節(jié)上有所改進(jìn)，如引腳15硬接地、SAR轉(zhuǎn)換周期從12個(gè)時(shí)鐘變?yōu)?4個(gè)時(shí)鐘等。

二、關(guān)鍵特性

（一）增益靈活

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(hào)，即使是低至125 mV的信號(hào)也能產(chǎn)生滿量程數(shù)字輸出。這種靈活性使得ADS7871在處理各種微弱信號(hào)時(shí)表現(xiàn)出色，無(wú)需額外的外部放大或阻抗緩沖電路。

（二）輸入配置多樣

輸入通道可配置為8通道單端輸入、4通道差分輸入或它們的組合，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。同時(shí)，通過(guò)對(duì)MUX地址中的M2位進(jìn)行設(shè)置，可以改變輸入引腳的差分極性，方便用戶調(diào)整轉(zhuǎn)換結(jié)果的極性，而無(wú)需物理上改變輸入連接。

（三）內(nèi)部基準(zhǔn)精準(zhǔn)

內(nèi)部基準(zhǔn)電壓可通過(guò)軟件配置為1.15 V、2.048 V或2.5 V，并且經(jīng)過(guò)微調(diào)，具有高初始精度和低溫度漂移（典型值為10 ppm/°C）。在多個(gè)ADS7871共享同一基準(zhǔn)的情況下，也可以使用外部基準(zhǔn)。

（四）接口兼容性強(qiáng)

支持SPI、QSPI、Microwire和8051系列協(xié)議，無(wú)需額外的膠合邏輯，方便與各種微控制器和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）進(jìn)行通信。

（五）低功耗運(yùn)行

工作電壓范圍為2.7 - 5.5 V，在不同采樣率下的功耗表現(xiàn)優(yōu)秀。例如，在1 kHz采樣率且REF和BUF開(kāi)啟、內(nèi)部振蕩器開(kāi)啟的情況下，功耗僅為6 mW；在48 kHz采樣率且REF和BUF開(kāi)啟、使用外部CCLK時(shí)，功耗為8.5 - 11 mW；在掉電模式下，功耗低至5 μW。

三、電氣特性

（一）模擬輸入特性

輸入電壓在-0.2 V至VDD + 0.2 V范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)線性操作，輸入電容在4 - 9.7 pF之間，輸入阻抗在不同模式下也有良好的表現(xiàn)。通道間串?dāng)_低至100 dB，最大泄漏電流為100 pA，保證了信號(hào)的準(zhǔn)確采集。

（二）靜態(tài)精度

分辨率達(dá)到14位，無(wú)失碼位數(shù)為13 - 14位，積分線性誤差和差分線性誤差都在較小范圍內(nèi)，偏移誤差和滿量程增益誤差也得到了很好的控制，確保了數(shù)據(jù)的高精度轉(zhuǎn)換。

（三）動(dòng)態(tài)特性

連續(xù)模式下的吞吐量速率可達(dá)48 kSamples/sec，內(nèi)部振蕩器頻率為2.5 MHz，串行接口時(shí)鐘SCLK最高可達(dá)20 MHz，數(shù)據(jù)建立時(shí)間和保持時(shí)間均為10 ns，滿足高速數(shù)據(jù)采集的需求。

（四）數(shù)字輸出特性

數(shù)據(jù)編碼支持二進(jìn)制補(bǔ)碼形式，邏輯電平在不同負(fù)載條件下有明確的規(guī)定，泄漏電流低至1 μA，輸出電容為5 pF，保證了數(shù)字信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。

（五）電壓基準(zhǔn)和緩沖放大器

內(nèi)部基準(zhǔn)電壓輸出精度高，輸出驅(qū)動(dòng)能力為±0.6 μA。參考緩沖器的輸入電壓范圍為0.9 - VDD - 0.2 V，輸入阻抗高達(dá)1000 - 13 GΩ，輸出電壓精度隨溫度變化小，輸出驅(qū)動(dòng)能力為20 mA。

四、功能模塊詳解

（一）多路復(fù)用器

ADS7871的8個(gè)模擬信號(hào)輸入引腳（LN0 - LN7）通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)連接到MUX模塊。輸入通道可靈活配置，并且每個(gè)輸入引腳都有ESD保護(hù)電路。在正常操作下，輸入信號(hào)應(yīng)保持在GND - 0.2 V至VDD + 0.2 V的線性輸入共模電壓范圍內(nèi)。

（二）轉(zhuǎn)換時(shí)鐘

轉(zhuǎn)換時(shí)鐘（CCLK）及其衍生信號(hào)被電壓基準(zhǔn)、PGA和A/D轉(zhuǎn)換器使用。CCLK引腳既可以作為輸入，也可以作為輸出。通過(guò)設(shè)置OSC ENABLE引腳或相關(guān)寄存器位，可以選擇使用內(nèi)部振蕩器或外部時(shí)鐘。為了減少多時(shí)鐘和系統(tǒng)噪聲引起的A/D轉(zhuǎn)換誤差，可以將一個(gè)ADS7871設(shè)置為轉(zhuǎn)換時(shí)鐘主設(shè)備，其他設(shè)備作為從設(shè)備。

（三）電壓參考和緩沖放大器

采用專利的開(kāi)關(guān)電容帶隙基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)，可通過(guò)軟件配置輸出電壓。內(nèi)部參考輸出（VREF）不能直接驅(qū)動(dòng)典型負(fù)載，需要使用單獨(dú)的緩沖放大器來(lái)提供負(fù)載電流。參考緩沖器能夠快速為濾波電容充電，但吸收電流能力有限。

（四）可編程增益放大器

PGA提供多種增益選擇，是一種單電源、軌到軌輸入、自動(dòng)調(diào)零的基于電容的儀表放大器。通過(guò)監(jiān)測(cè)輸出數(shù)據(jù)的最低有效位（OVL位），可以檢測(cè)PGA輸出是否達(dá)到削波或非線性操作狀態(tài)，方便進(jìn)行自動(dòng)量程應(yīng)用。

（五）模數(shù)轉(zhuǎn)換器

14位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，輸出數(shù)據(jù)為二進(jìn)制補(bǔ)碼格式。在不同輸入配置下，具有明確的轉(zhuǎn)換函數(shù)，能夠準(zhǔn)確地將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

（六）轉(zhuǎn)換周期

一個(gè)轉(zhuǎn)換周期需要50個(gè)DCLK（DCLK = CCLK/DF），其中PGA操作需要36個(gè)DCLK，SAR轉(zhuǎn)換器需要14個(gè)DCLK。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，內(nèi)部電容負(fù)載會(huì)發(fā)生變化，因此需要在輸入差分端連接電容來(lái)濾波。

五、操作模式

（一）直接模式

通過(guò)寫(xiě)入一個(gè)8位指令字節(jié)（D7 = 1）啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，同時(shí)設(shè)置PGA增益和輸入通道選擇。該指令的低7位會(huì)寫(xiě)入Gain/Mux寄存器，其他參數(shù)使用之前存儲(chǔ)在相應(yīng)寄存器中的值。

（二）寄存器模式

當(dāng)指令字節(jié)的D7 = 0時(shí)，進(jìn)入寄存器模式，可對(duì)ADS7871的各個(gè)寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作。用戶可以通過(guò)寄存器控制芯片的各種功能和特性，如MUX通道選擇、PGA增益設(shè)置、A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)等。

六、應(yīng)用信息

（一）支持元件

為了保證ADS7871的性能，需要良好的電源旁路電容。在電源線上并聯(lián)一個(gè)低ESR陶瓷電容和一個(gè)大值電解電容，同時(shí)在VREF引腳連接一個(gè)約0.01 μF的陶瓷電容可以改善內(nèi)部電壓基準(zhǔn)電路的噪聲性能。如果使用內(nèi)部緩沖放大器，需要在其輸出端連接一個(gè)濾波電容。

（二）微控制器連接

ADS7871可以與多種微控制器進(jìn)行連接，如Motorola M68HC11和Intel 80C51。在與不同微控制器連接時(shí)，需要根據(jù)其接口特性設(shè)置相應(yīng)的寄存器位，以實(shí)現(xiàn)最佳兼容性。

七、總結(jié)

ADS7871以其豐富的功能、高精度的轉(zhuǎn)換性能和低功耗的特點(diǎn)，成為了便攜式電池供電系統(tǒng)、低功耗儀器儀表、低功耗控制系統(tǒng)和智能傳感器應(yīng)用等領(lǐng)域的理想選擇。作為電子工程師，我們?cè)谠O(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，ADS7871無(wú)疑是一個(gè)值得考慮的優(yōu)秀方案。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)類似芯片的使用問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。