在電子工程領域，模數轉換器（ADC）是連接模擬世界和數字世界的關鍵橋梁。而德州儀器（TI）的ADS1202作為一款高性能的Delta-Sigma調制器，在眾多應用中展現出了卓越的性能。今天，我們就來深入探討一下ADS1202的特性、工作原理、應用以及設計注意事項。

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一、ADS1202概述

ADS1202是一款由德州儀器推出的精密Delta-Sigma（?Σ）調制器，具有80dB的動態范圍，可在單+5V電源下工作。它擁有16位分辨率和13位線性度，能夠在分辨率和速度之間進行靈活權衡。例如，在20μs信號延遲下可實現10位有效分辨率，在77μs延遲下可實現12位有效分辨率。其差分輸入非常適合直接連接傳感器或低電平信號，配合適當的數字濾波器和調制器速率，可實現無丟失碼的16位模數（A/D）轉換。

特性亮點

• 高分辨率與線性度：16位分辨率和13位線性度確保了高精度的信號轉換。
• 靈活的分辨率/速度權衡：根據不同的應用需求，可以選擇不同的分辨率和信號延遲組合。
• 寬輸入范圍：在單5V電源下，輸入范圍可達±250mV。
• 靈活的串行接口：具備四種不同的模式，支持雙二進制編碼（如分相或曼徹斯特編碼），適用于單線接口。
• 寬工作溫度范圍：可在–40°C至+85°C的溫度范圍內穩定工作。

應用領域

ADS1202廣泛應用于電機控制電流測量、工業過程控制儀表、智能變送器、便攜式儀器、體重秤和壓力傳感器等領域，為這些應用提供了高精度的信號轉換解決方案。

二、工作原理

模擬輸入階段

ADS1202的差分模擬輸入采用開關電容電路實現，該電路構成了二階調制器級，將輸入信號數字化為1位輸出流。輸入阻抗取決于輸入電容和調制器時鐘頻率（MCLK），其計算公式為 $A{I N}(\Omega)=\frac{10^{12}}{7 \cdot f{MCLK(MHz)}}$ 。在設計中，當輸入信號的源阻抗較高時，需要考慮輸入阻抗的影響，以避免信號損失。同時，模擬輸入信號有兩個限制：電流不得超過10mA，絕對輸入電壓范圍必須在GND – 0.4V至 $V_{D D}+0.3 V$ 之間，且線性度僅在輸入電壓位于–320mV至+320mV范圍內時得到保證。

調制器

調制器采樣頻率（CLK）在模式3下可在幾MHz至12MHz的范圍內工作，MCLK頻率可根據應用需求進行調整，外部MCLK必須是調制器頻率的兩倍。調制器本質上是一個二階電荷平衡A/D轉換器，通過對模擬輸入電壓和1位數模轉換器（DAC）的輸出進行差分處理，將信號輸入到積分器中。當積分器輸出信號達到比較器參考電壓時，比較器輸出翻轉，從而使1位DAC改變其模擬輸出電壓，迫使積分器輸出跟蹤輸入的平均值。

數字輸出

當外部時鐘應用于MCLK時，ADS1202將其用作系統時鐘和數據輸出的幀時鐘（僅在模式3下可用）。調制器輸出數據是一個串行流，可在MDAT引腳獲取，通常在MCLK的下降沿讀取。不同的輸入差分信號會產生不同比例的高低電平輸出流，例如，0V輸入會產生50%高電平、50%低電平的流，256mV輸入會產生80%高電平的流，–256mV輸入會產生20%高電平的流。

數字接口

ADS1202具有靈活的數字接口，通過控制信號M0和M1可以選擇四種不同的工作模式。在大多數應用中，MDAT和MCLK信號提供了最簡單的連接方式。為了實現調制器和DSP或μC之間的同步，有三種常用方法：從主時鐘獲取時鐘信號、調制器與數據信號一起傳輸時鐘信號、濾波器從接收波形中導出時鐘信號。

不同工作模式

• 模式0：內部時鐘，同步數據輸出。M0和M1均為低電平，DSP或μC在MCLK輸出時鐘的上升沿讀取MDAT數據。
• 模式1：內部時鐘，同步數據輸出，半輸出時鐘頻率。M0為高電平，M1為低電平，DSP或μC在輸出時鐘的上升沿和下降沿讀取數據。
• 模式2：內部時鐘，曼徹斯特編碼數據輸出。M0為低電平，M1為高電平，MCLK輸出時鐘不活躍，DSP或μC需要從接收到的波形中導出時鐘信號。
• 模式3：外部時鐘，同步數據輸出。M0和M1均為高電平，DSP或μC在輸入時鐘的下降沿讀取數據。

三、應用實例

模式0應用

在典型的電機相電流測量應用中，通過分流電阻測量電流。為了提高性能，對輸入信號進行濾波，$R{2}$ 和 $C{2}$ 用于過濾同相輸入信號的噪聲，$R{3}$ 和 $C{3}$ 用于過濾反相輸入信號的噪聲，$C{4}$ 與 $R{2}$ 和 $R_{3}$ 一起過濾共模輸入噪聲。電源取自上柵極驅動電源，并使用0.1μF的去耦電容進行濾波，如有需要還可添加1μF至10μF的電容。控制線路M0和M1均為低電平，MCLK和MDAT信號直接連接到光耦合器，光耦合器輸出可直接連接到DSP的SPICLK和SPISIMO引腳。

模式2應用

當需要減少組件數量時，ADS1202可工作在模式2。此時僅對同相輸入信號進行濾波，反相輸入直接連接到GND引腳。輸出信號采用曼徹斯特編碼，只需一個光耦合器通道，且DSP每個通道只需使用一條線路，可使用更小的DSP封裝。

四、布局注意事項

電源供應

ADS1202只需一個電源（$V{DD}$），建議連接到模擬電源。為了控制噪聲，可在電源上使用10Ω電阻，并結合去耦電容進行濾波。模擬電源必須穩壓且低噪聲，因為數字電源的高頻噪聲可能會耦合到ADS1202的模擬部分，影響轉換結果。在電源開啟前，應避免輸入信號（如 $V{IN}+$ 、 $V_{IN}-$ 和MCLK）的存在，否則可能導致閂鎖現象，可使用串聯電阻限制輸入電流。

接地

模擬和數字部分應進行清晰的分區，各有獨立的接地平面，通過轉換器下方的適度信號走線連接。對于多個轉換器，應在一個中心位置盡可能靠近地連接兩個接地平面。

去耦

所有去耦電容（特別是0.1μF陶瓷電容）應盡可能靠近被去耦的引腳放置。使用1μF和10μF電容與0.1μF陶瓷電容并聯，將 $V_{DD}$ 與GND去耦。

五、總結

ADS1202作為一款高性能的Delta-Sigma調制器，憑借其高分辨率、靈活的接口和寬工作溫度范圍等特性，在眾多應用領域展現出了強大的優勢。在設計過程中，我們需要充分考慮其工作原理、應用需求和布局注意事項，以確保其性能的充分發揮。希望通過本文的介紹，能幫助電子工程師更好地了解和應用ADS1202，為設計出更優秀的電子系統提供參考。你在使用ADS1202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。