在電子設計領域，數據采集系統是連接現實世界與數字世界的關鍵橋梁。今天，我們要深入探討一款功能強大的低功耗數據采集芯片——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、可靠的數據采集解決方案。

文件下載：ads7871.pdf

一、概述

ADS7871是一款單芯片的低功耗數據采集系統，融合了4通道差分/8通道單端多路復用器、精密可編程增益放大器（PGA）、14位逐次逼近型模數轉換器（A/D）以及精密電壓基準。它基于ADS7870設計，具有相似的接口、功能和引腳布局，但在一些細節上有所改進，如引腳15硬接地、SAR轉換周期從12個時鐘變為14個時鐘等。

二、關鍵特性

（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，能夠適應不同幅度的輸入信號，即使是低至125 mV的信號也能產生滿量程數字輸出。這種靈活性使得ADS7871在處理各種微弱信號時表現出色，無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，滿足不同應用場景的需求。同時，通過對MUX地址中的M2位進行設置，可以改變輸入引腳的差分極性，方便用戶調整轉換結果的極性，而無需物理上改變輸入連接。

（三）內部基準精準

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

（四）接口兼容性強

支持SPI、QSPI、Microwire和8051系列協議，無需額外的膠合邏輯，方便與各種微控制器和數字信號處理器（DSP）進行通信。

（五）低功耗運行

工作電壓范圍為2.7 - 5.5 V，在不同采樣率下的功耗表現優秀。例如，在1 kHz采樣率且REF和BUF開啟、內部振蕩器開啟的情況下，功耗僅為6 mW；在48 kHz采樣率且REF和BUF開啟、使用外部CCLK時，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范圍內可實現線性操作，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。通道間串擾低至100 dB，最大泄漏電流為100 pA，保證了信號的準確采集。

（二）靜態精度

分辨率達到14位，無失碼位數為13 - 14位，積分線性誤差和差分線性誤差都在較小范圍內，偏移誤差和滿量程增益誤差也得到了很好的控制，確保了數據的高精度轉換。

（三）動態特性

連續模式下的吞吐量速率可達48 kSamples/sec，內部振蕩器頻率為2.5 MHz，串行接口時鐘SCLK最高可達20 MHz，數據建立時間和保持時間均為10 ns，滿足高速數據采集的需求。

（四）數字輸出特性

數據編碼支持二進制補碼形式，邏輯電平在不同負載條件下有明確的規定，泄漏電流低至1 μA，輸出電容為5 pF，保證了數字信號的穩定傳輸。

（五）電壓基準和緩沖放大器

內部基準電壓輸出精度高，輸出驅動能力為±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1000 - 13 GΩ，輸出電壓精度隨溫度變化小，輸出驅動能力為20 mA。

四、功能模塊詳解

（一）多路復用器

ADS7871的8個模擬信號輸入引腳（LN0 - LN7）通過模擬開關網絡連接到MUX模塊。輸入通道可靈活配置，并且每個輸入引腳都有ESD保護電路。在正常操作下，輸入信號應保持在GND - 0.2 V至VDD + 0.2 V的線性輸入共模電壓范圍內。

（二）轉換時鐘

轉換時鐘（CCLK）及其衍生信號被電壓基準、PGA和A/D轉換器使用。CCLK引腳既可以作為輸入，也可以作為輸出。通過設置OSC ENABLE引腳或相關寄存器位，可以選擇使用內部振蕩器或外部時鐘。為了減少多時鐘和系統噪聲引起的A/D轉換誤差，可以將一個ADS7871設置為轉換時鐘主設備，其他設備作為從設備。

（三）電壓參考和緩沖放大器

采用專利的開關電容帶隙基準實現，可通過軟件配置輸出電壓。內部參考輸出（VREF）不能直接驅動典型負載，需要使用單獨的緩沖放大器來提供負載電流。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、自動調零的基于電容的儀表放大器。通過監測輸出數據的最低有效位（OVL位），可以檢測PGA輸出是否達到削波或非線性操作狀態，方便進行自動量程應用。

（五）模數轉換器

14位逐次逼近型A/D轉換器，輸出數據為二進制補碼格式。在不同輸入配置下，具有明確的轉換函數，能夠準確地將模擬信號轉換為數字信號。

（六）轉換周期

一個轉換周期需要50個DCLK（DCLK = CCLK/DF），其中PGA操作需要36個DCLK，SAR轉換器需要14個DCLK。在轉換過程中，內部電容負載會發生變化，因此需要在輸入差分端連接電容來濾波。

五、操作模式

（一）直接模式

通過寫入一個8位指令字節（D7 = 1）啟動轉換，同時設置PGA增益和輸入通道選擇。該指令的低7位會寫入Gain/Mux寄存器，其他參數使用之前存儲在相應寄存器中的值。

（二）寄存器模式

當指令字節的D7 = 0時，進入寄存器模式，可對ADS7871的各個寄存器進行讀寫操作。用戶可以通過寄存器控制芯片的各種功能和特性，如MUX通道選擇、PGA增益設置、A/D轉換啟動等。

六、應用信息

（一）支持元件

為了保證ADS7871的性能，需要良好的電源旁路電容。在電源線上并聯一個低ESR陶瓷電容和一個大值電解電容，同時在VREF引腳連接一個約0.01 μF的陶瓷電容可以改善內部電壓基準電路的噪聲性能。如果使用內部緩沖放大器，需要在其輸出端連接一個濾波電容。

（二）微控制器連接

ADS7871可以與多種微控制器進行連接，如Motorola M68HC11和Intel 80C51。在與不同微控制器連接時，需要根據其接口特性設置相應的寄存器位，以實現最佳兼容性。

七、總結

ADS7871以其豐富的功能、高精度的轉換性能和低功耗的特點，成為了便攜式電池供電系統、低功耗儀器儀表、低功耗控制系統和智能傳感器應用等領域的理想選擇。作為電子工程師，我們在設計數據采集系統時，ADS7871無疑是一個值得考慮的優秀方案。大家在實際應用中是否遇到過類似芯片的使用問題呢？歡迎在評論區分享交流。