在電子工程師的日常設計工作中，高精度模數轉換器（ADC）往往是實現精確測量和數據采集的關鍵組件。今天，我們就來深入了解一下德州儀器（TI）推出的ADS1242和ADS1243這兩款24位高精度模數轉換器，探討它們的特性、工作原理以及在實際應用中的表現。

文件下載：ads1243.pdf

一、產品概述

ADS1242和ADS1243是TI推出的高精度、寬動態范圍的Δ - Σ型模數轉換器，工作電壓范圍為2.7V至5.25V，具備24位無失碼性能和高達21位的有效分辨率。這兩款轉換器適用于多種應用場景，如工業過程控制、液體/氣相色譜分析、血液分析、智能變送器、便攜式儀器和電子秤等。

二、產品特性亮點

1. 高精度轉換

• 無失碼性能：24位無失碼性能確保了轉換結果的準確性，能夠滿足對精度要求極高的應用場景。
• 有效分辨率：在PGA = 1時，有效分辨率可達21位；當PGA = 128時，有效分辨率仍有19位，為高精度測量提供了有力支持。
• 極低的積分非線性（INL）：INL僅為0.0015%，保證了轉換結果的線性度，減少了測量誤差。

2. 出色的抗干擾能力

能夠同時對50Hz和60Hz的干擾信號進行抑制，抑制能力最低可達 - 90dB，有效減少了市電干擾對測量結果的影響。

3. 靈活的增益設置

可編程增益放大器（PGA）的增益范圍從1到128，用戶可以根據實際需求靈活選擇增益，提高了轉換器的適用性。

4. 快速響應

單周期穩定的數字濾波器，在新通道選擇后的第一次轉換即可提供有效數據，大大縮短了測量時間。

5. 豐富的功能特性

• 內置校準功能：支持自校準和系統校準，能夠有效減小偏移和增益誤差，提高測量的準確性。
• 寬范圍的外部差分參考電壓：外部差分參考電壓范圍為0.1V至5V，方便用戶根據實際應用選擇合適的參考電壓。
• 多種數據輸出速率：可編程的數據輸出速率，滿足不同應用場景對數據采集速度的要求。

三、關鍵模塊解析

1. 輸入多路復用器

輸入多路復用器允許用戶在任意輸入通道上選擇各種差分輸入組合。對于ADS1243，最多可實現七個單端輸入通道或四個獨立的差分輸入通道；對于ADS1242，最多可實現三個單端輸入通道或兩個獨立的差分輸入通道。同時，通過同步MUX更改與轉換開始（DRDY信號下降沿），可以最小化建立誤差。

2. 燒斷電流源

燒斷電流源可用于檢測傳感器的短路或開路狀態。通過設置SETUP寄存器中的BOCS位，激活兩個2μA的電流源，分別連接到轉換器的正負輸入。當傳感器開路時，轉換器輸出滿量程；當傳感器短路時，輸出近似為零。

3. 輸入緩沖器

當輸入緩沖器未啟用時，ADS1242/43的輸入阻抗約為5MΩ/PGA；啟用后，輸入阻抗可提高到約5GΩ，滿足對高輸入阻抗有要求的系統。緩沖器的輸入范圍約為50mV至$V_{D D}-1.5V$，超出此范圍線性度會下降。

4. 可編程增益放大器（PGA）

PGA的增益可設置為1、2、4、8、16、32、64或128。通過合理設置PGA增益，可以提高A/D轉換器的有效分辨率，例如在5V滿量程信號下，PGA = 1時可分辨到1μV；PGA = 128時，可分辨到75nV。

5. 偏移DAC

偏移DAC（ODAC）寄存器可將PGA的輸入偏移半個滿量程輸入范圍。ODAC是一個8位值，MSB為符號位，7個LSB提供偏移量的大小。在使用時，需要在校準后啟用ODAC，以確保校準效果。

6. 調制器

調制器是一個單環二階系統，其時鐘速度（$f{MOD}$）由外部時鐘（$f{OSC}$）和SPEED位決定。不同的SPEED位設置會影響調制器的運行頻率，從而影響數據輸出速率和抗干擾性能。

7. 校準功能

ADS1242和ADS1243支持自校準和系統校準。自校準通過SELFGCAL、SELFOCAL和SELFCAL命令實現，可校正內部偏移和增益誤差；系統校準通過SYSOCAL和SYSGCAL命令實現，可校正內部和外部的偏移和增益誤差。校準應在電源開啟、溫度變化或PGA改變后進行。

8. 外部電壓參考

這兩款轉換器需要外部電壓參考，參考電壓通過ACR寄存器選擇。外部電壓參考為差分形式，引腳電壓范圍為GND至$V{DD}$，但不同的$V{DD}$和RANGE設置對差分$V_{REF}$有不同的限制。

9. 時鐘發生器

時鐘源可以是晶體、振蕩器或外部時鐘。當使用晶體作為時鐘源時，需要提供外部電容以確保啟動和穩定的時鐘頻率。

10. 數字濾波器

ADS1242和ADS1243配備了1279抽頭的線性相位有限脈沖響應（FIR）數字濾波器，用戶可根據需要配置不同的輸出數據速率。當使用2.4576MHz晶體時，可實現15Hz、7.5Hz或3.75Hz的數據輸出速率，并能同時抑制50Hz和60Hz的干擾。

11. 數據I/O接口

ADS1242有四個引腳，ADS1243有八個引腳，這些引腳兼具模擬輸入和數據I/O的雙重功能。通過IOCON、DIR和DIO寄存器，可將這些引腳單獨配置為模擬輸入或數據I/O。

12. 串行外設接口（SPI）

SPI接口允許控制器與ADS1242和ADS1243進行同步通信，工作在從機模式。標準的四線SPI接口（CS、SCLK、$D{IN}$和$D{OUT}$）確保了數據傳輸的穩定性和可靠性。

13. 數據就緒（DRDY）引腳

DRDY引腳作為狀態信號，用于指示內部數據寄存器中的數據是否準備好讀取。當DOR寄存器中有新的數據字時，DRDY引腳變為低電平；讀取操作完成后，DRDY引腳恢復為高電平。

14. DSYNC操作

通過DSYNC命令可實現同步操作。發送DSYNC命令后，數字濾波器在命令的最后一個SCLK邊緣復位，調制器保持復位狀態，直到檢測到下一個SCLK邊緣，同步在DSYNC命令后的第一個SCLK之后的系統時鐘上升沿發生。

三、寄存器配置與命令操作

1. 寄存器配置

ADS1242和ADS1243共有16個寄存器，用于配置器件的各種功能，如數據格式、多路復用器設置、校準設置、數據速率等。每個寄存器都有其特定的功能和位定義，工程師需要根據實際需求進行合理配置。

2. 命令操作

通過一系列控制命令，如RDATA、RDATAC、STOPC、RREG、WREG等，可以實現對轉換器的各種操作，如讀取數據、連續讀取數據、停止連續讀取、讀取寄存器、寫入寄存器等。

四、應用實例

1. 通用電子秤

在通用電子秤應用中，可將內部PGA設置為64或128（根據稱重傳感器的最大輸出電壓而定），使稱重傳感器的輸出能夠直接連接到ADS1242的差分輸入，實現對重量的精確測量。

2. 高精度電子秤

對于高精度電子秤應用，前端差分放大器可以幫助最大化動態范圍，進一步提高測量精度。

五、總結

ADS1242和ADS1243憑借其高精度、低功耗、豐富的功能特性和靈活的配置選項，成為了電子工程師在高精度測量和數據采集應用中的理想選擇。在實際設計過程中，工程師需要根據具體的應用需求，合理配置寄存器和命令，充分發揮這兩款轉換器的性能優勢。同時，在使用過程中，還需要注意校準、時鐘源選擇、電源管理等方面的問題，以確保系統的穩定性和可靠性。

希望通過本文的介紹，能夠幫助電子工程師更好地了解和使用ADS1242和ADS1243這兩款優秀的模數轉換器，在實際項目中取得更好的設計效果。你在使用這兩款轉換器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區留言分享。