在電子工程師的日常工作中，數據采集系統是一個關鍵的環節。今天，我們就來詳細探討一下德州儀器（Texas Instruments）的ADS7870，這是一款集成了模數轉換器（ADC）、多路復用器（MUX）、可編程增益放大器（PGA）和參考電壓源的完整低功耗數據采集系統。

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一、產品概述

ADS7870是一款高度集成的單芯片數據采集系統，它結合了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、12位逐次逼近型模數轉換器和精密電壓參考源。該芯片具有多種可編程功能，適用于各種低功耗應用場景，如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。

二、關鍵特性

（一）可編程增益放大器（PGA）

PGA提供了1、2、4、5、8、10、16和20 V/V的增益選擇，能夠滿足不同信號強度的放大需求。其單電源、軌到軌輸入、自動調零和基于電容的儀表放大器設計，保證了高輸入阻抗、出色的增益精度、良好的共模抑制比和低噪聲性能。對于許多低電平信號，無需在信號源和A/D輸入之間進行外部放大或阻抗緩沖。

（二）輸入配置

輸入通道可以配置為8通道單端輸入、4通道差分輸入或它們的組合，具有很高的靈活性。通過設置相關寄存器的位，可以方便地選擇不同的輸入配置。

（三）內部參考電壓源

內部參考電壓源可以通過軟件配置為1.15 V、2.048 V或2.5 V的輸出電壓，并且經過校準以確保高初始精度和低溫度漂移，典型漂移為10 ppm/°C。在多個ADS7870共享一個公共參考的情況下，也可以使用外部參考電壓源。

（四）串行接口

串行接口兼容SPI、QSPI、Microwire和8051系列協議，無需額外的膠合邏輯。這使得ADS7870能夠方便地與各種微控制器和數字信號處理器（DSP）進行通信。

（五）其他特性

• 吞吐量速率可達52 kSamples/sec，能夠滿足高速數據采集的需求。
• 具有錯誤過載指示器，方便用戶及時發現數據采集過程中的異常情況。
• 可編程輸出2s補碼/二進制格式，適應不同的應用需求。
• 支持2.7 - 5.5 V的單電源供電，降低了功耗和系統復雜度。
• 提供4位數字I/O接口，可通過串行接口進行控制。
• 引腳與ADS7871兼容，方便用戶進行升級和替換。
• 采用SSOP - 28封裝，節省了電路板空間。

三、電氣特性

（一）模擬輸入特性

• 輸入電壓范圍為 -0.2 V至VDD + 0.2 V，確保了在不同信號條件下的穩定工作。
• 輸入電容在4 - 9.7 pF之間，輸入阻抗在共模模式下為6 MΩ，差分模式下為7 MΩ，減少了對信號源的影響。
• 通道間串擾在60 Hz、2 Vpp信號下小于 -100 dB，保證了多通道采集時的信號隔離度。
• 最大泄漏電流小于100 pA，降低了功耗和信號干擾。

（二）靜態精度特性

• 分辨率為12位，無丟失碼，保證了數據采集的準確性。
• 積分線性度誤差在 -2.5至 +2.5 LSB之間，差分線性度誤差在 ±0.5 LSB之間，確保了線性度和精度。
• 偏移誤差在 -6至 +6 LSB之間，滿量程增益誤差在 -0.25至 +0.25 %FSR之間，保證了測量的準確性。
• 內部參考直流共模抑制比在92 dB以上，電源抑制比在86 dB以上，提高了系統的抗干擾能力。

（三）動態特性

• 吞吐量速率在連續模式和地址模式下均可達52 ksample/s，滿足高速采集需求。
• 外部時鐘CCLK頻率范圍為0.1 - 20 MHz，內部振蕩器頻率為2.5 MHz，串行接口時鐘SCLK頻率可達20 MHz，提供了靈活的時鐘配置選項。
• 數據建立時間和保持時間均為10 ns，確保了數據傳輸的穩定性。

（四）數字輸入輸出特性

• 數字輸入邏輯電平滿足標準要求，低電平輸入電壓VIL小于0.8 V，高電平輸入電壓VIH在VDD ≤ 3.6 V時為2 V，VDD > 3.6 V時為3 V。
• 數字輸出邏輯電平穩定，低電平輸出電壓VoL在不同負載電流下有明確的規定，高電平輸出電壓VoH在不同負載電流下也能保持穩定。
• 輸出泄漏電流小于1 μA，輸出電容為5 pF，減少了對后續電路的影響。

（五）電壓參考和緩沖特性

• 參考電壓輸出精度高，誤差在 -0.25至 +0.25 %FSR之間，輸出驅動能力為 ±0.6 μA。
• 參考緩沖器輸入電壓范圍為0.9 V至VDD - 0.2 V，輸入阻抗為1000 GΩ，輸入偏移在 -10至 +10 mV之間。
• 輸出電壓精度隨溫度變化小，在 -0.25至 +0.25 %FSR之間，輸出驅動能力為20 mA。

（六）電源要求

• 電源電壓范圍為2.7 - 5.5 V，不同采樣速率下的電源電流和功耗不同。在1 - kHz采樣速率下，電源電流為0.45 mA，功耗為2.25 mW；在50 - kHz采樣速率下，電源電流為1.2 - 1.7 mA，功耗為6 - 8.5 mW。
• 掉電模式下，電源電流小于1 μA，功耗小于5 μW，大大降低了功耗。

四、功能描述

（一）多路復用器

ADS7870的8個模擬信號輸入引腳（LN0 - LN7）通過模擬開關網絡連接到多路復用器。這些輸入引腳可以配置為8通道單端輸入、4通道差分輸入或它們的組合。通過設置增益/多路復用器寄存器中的4位，可以控制開關的狀態，實現不同輸入通道的選擇。此外，輸入引腳的差分極性可以通過MUX地址中的M2位進行改變，方便用戶調整轉換結果的極性。

（二）轉換時鐘

轉換時鐘（CCLK）及其衍生信號被用于電壓參考源、PGA和A/D轉換器。CCLK引腳可以作為輸入或輸出。當OSC ENABLE引腳為低電平時，CCLK引腳作為輸入，ADS7870依賴外部時鐘進行轉換；當OSC ENABLE引腳為高電平時，內部振蕩器和內部緩沖器被啟用，CCLK引腳作為輸出。內部參考源需要連續的時鐘信號，可以由內部振蕩器獨立提供。為了降低功耗，PGA和A/D的偏置可以根據需要開啟和關閉，但振蕩器、參考源和緩沖器在啟用后會持續運行。

（三）電壓參考和緩沖放大器

ADS7870采用了專利的開關電容帶隙參考電路，該電路具有曲率校正功能，可以通過軟件配置輸出1.15 V、2.048 V或2.5 V的電壓。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。內部參考緩沖器可以快速為連接到其輸出的濾波電容充電，但通常只能吸收200 μA的電流。為了提高緩沖器從正向噪聲尖峰中恢復的能力，可以在REFIN引腳與地之間連接一個電阻，但這會增加功耗。

（四）可編程增益放大器

PGA提供了1、2、4、5、8、10、16和20 V/V的增益選擇，是一種單電源、軌到軌輸入、自動調零、基于電容的儀表放大器。PGA的增益由寄存器4中的G2 - G0位設置。當PGA輸出達到削波或非線性工作狀態時，輸出數據的最低有效位（OVR）會被置為1，方便用戶檢測故障。用戶可以通過讀取寄存器2來確定轉換過程中存在的故障條件，這對于自動量程應用非常有用。

（五）模數轉換器

ADS7870中的12位A/D轉換器是逐次逼近型的，默認輸出為2s補碼格式。根據不同的程序配置，轉換結果可以通過多種方式讀取。在差分輸入配置下，A/D轉換函數為 -2048 ≤ Code ≤ 2047，對應輸入電壓范圍為 -VREF/G ≤ VIN ≤ (VREF - 1 LSB)/G；在單端輸入配置下，A/D轉換函數為0 ≤ Code ≤ 2047，對應輸入電壓范圍為0 ≤ VIN ≤ (VREF - 1 LSB)/G。

（六）轉換周期

一個轉換周期需要48個DCLK周期（DCLK = CCLK/DF），其中PGA操作需要36個DCLK周期，用于捕獲輸入信號、自動調零、電平轉換和放大輸入信號。逐次逼近寄存器（SAR）轉換器需要最后12個DCLK周期。為了獲得最大采樣速率，輸入命令和輸出數據必須在這個周期內進行通信，但為了獲得最佳性能，不建議這樣做。在轉換周期內，所選MUX輸入的內部電容負載會在6 pF和9.7 pF之間變化。為了減少輸入信號的毛刺和干擾，可以在差分輸入之間連接一個10 - nF至100 - nF的電容，該電容還可以與信號源阻抗一起作為抗混疊濾波器。當信號源阻抗大于2 kΩ時，需要更長的建立時間，因此應相應降低CCLK頻率。為了實現最低功耗，每個功能所需的偏置會在轉換過程中按需開啟、穩定并運行。

（七）啟動A/D轉換周期

有四種方式可以啟動ADS7870的轉換：

1. 發送直接模式指令。
2. 向寄存器4寫入CNV位為1。
3. 向寄存器5寫入CNV位為1，下一次轉換將排隊等待當前轉換完成。
4. 斷言CONVERT引腳（邏輯高），新的轉換周期將在CCLK的第二個有效邊沿開始。

（八）串行接口

ADS7870通過數字串行端口接口與微處理器和其他外部電路進行通信，它與多種流行的微控制器和數字信號處理器（DSP）兼容，如TI的TMS320、MSC1210和MSP430產品系列，以及其他廠商的產品，如Motorola 68HC11、Intel 80C51和MicroChip PIC系列。串行接口由四個主要引腳組成：SCLK（串行位時鐘）、DIN（串行數據輸入）、DOUT（串行數據輸出）和CS（芯片選擇）。SCLK同步數據傳輸，每個位在SCLK的下降或上升沿傳輸，具體取決于RISE/FALL引腳的設置。SDIN也可以用作串行數據輸出線。此外，BUSY引腳用于指示轉換是否正在進行，CONVERT引腳用于啟動轉換周期，RESET引腳用于復位設備。

（九）操作模式

ADS7870的串行接口有兩種操作模式：直接模式和寄存器模式。在直接模式（指令字的D7位為1）下，發送一個8位指令字節可以啟動一次轉換，并設置多路復用器的配置和PGA的增益。在寄存器模式（指令字的D7位為0）下，可以對指定的寄存器進行讀寫操作，從而控制ADS7870的各種功能和特性。

（十）寄存器概述

ADS7870共有十個用戶可訪問的寄存器，這些寄存器用于配置和控制設備的各種功能。以下是對這些寄存器的簡要介紹：

1. A/D輸出數據寄存器（地址0和1）：存儲A/D轉換結果的最低有效字節和最高有效字節。
2. PGA有效寄存器（地址2）：包含PGA的六個比較器的結果，用于指示PGA輸入和輸出電壓是否超出允許范圍。
3. A/D控制寄存器（地址3）：配置CCLK分頻器和自動回讀模式選項。
4. 增益/多路復用器寄存器（地址4）：包含輸入通道選擇信息和PGA增益設置位，還可以通過設置CNV/BSY位啟動轉換。
5. 數字I/O狀態寄存器（地址5）：存儲四個數字I/O引腳的狀態，也可以通過設置CNV/BSY位啟動轉換。
6. 數字I/O控制寄存器（地址6）：確定四個數字I/O引腳是作為輸入還是輸出。
7. 參考/振蕩器控制寄存器（地址7）：控制內部振蕩器的開啟和關閉、內部電壓參考源和緩沖器的開啟和關閉，以及參考電壓的選擇。
8. 串行接口控制寄存器（地址24）：控制數據的傳輸順序（MSB或LSB優先）、串行接口的工作模式（2線或3線），以及與8051型微處理器接口的時序控制。
9. ID寄存器（地址31）：只讀寄存器，用于識別ADS7870的版本。

（十一）復位操作

有三種方式可以復位ADS7870：

1. 循環供電，但電源關閉時間必須足夠長，以允許內部節點放電。
2. 切換RESET引腳，最小脈沖寬度為50 ns。
3. 向寄存器0寫入一個8位字節。

當CS信號為高電平時，僅串行接口會被復位和禁用。如果CS持續為低電平，并且通過向寄存器0寫入一個8位字節來復位ADS7870，那么DIN引腳的下一個1輸入將作為串行接口的同步位。在某些應用中，如果CS不能循環，并且系統同步丟失，可以通過寫入39個0和一個1來復位ADS7870。需要注意的是，嘈雜的SCLK信號可能會導致ADS7870意外復位，可以在SCLK引腳串聯一個100 - Ω的電容來解決這個問題。

（十二）讀寫操作

1. 寫操作

要執行寫操作，首先需要向ADS7870寫入一個指令字節，該指令字節確定目標寄存器和字長（8位或16位）。在第一個有效SCLK邊沿（上升或下降沿，取決于RISE/FALL引腳的狀態）之前，CS引腳必須被置為低電平。指令字節的剩余7位將在接下來的7個有效SCLK邊沿被鎖存。CS引腳在整個操作過程中必須保持低電平，否則串行接口將被復位。當通過設置增益/多路復用器寄存器或數字I/O寄存器中的CNV/BSY位啟動轉換時，轉換將在寫操作的最后一個有效SCLK邊沿之后的第二個DCLK下降沿開始。

2. 讀操作

讀操作與寫操作類似，不同之處在于數據流向是從ADS7870到主機控制器。在指令字節被鎖存（在第八個有效SCLK邊沿）后，DOUT引腳（在2線模式下還有DIN引腳）將在接下來的非有效SCLK邊沿開始驅動數據，以便主機控制器在接下來的有效SCLK邊沿獲得有效數據。在讀取操作完成后，ADS7870準備好接收下一個指令字節。

（十三）多路復用器尋址

在啟動轉換指令或增益/多路復用器寄存器（地址4）中，最后4位用于分配多路復用器的配置。輸入通道可以配置為差分或單端模式，在差分模式下，輸入信號的極性可以通過M2位進行反轉。在單端模式下，所有輸入通道都相對于系統地（引腳25）進行測量。

五、應用信息

（一）所需支持元件

為了確保ADS7870的性能，需要進行良好的電源旁路。在電源線上并聯一個低ESR陶瓷電容和一個大值電解電容可以提供所需的性能，典型值分別為0.1 μF和10 μF。在VREF引腳與地之間連接一個約0.01 μF的陶瓷電容可以改善內部電壓參考電路的噪聲性能，但增加該電容的值可能會增加啟動后的穩定時間。如果使用內部緩沖放大器，必須在其輸出端連接一個濾波電容到地，以確保穩定性，標稱值為0.47 μF，取值范圍在0.1 μF至10 μF之間。在一個ADS7870緩沖器驅動多個設備的情況下，應在每個從設備處安裝一個0.1 μF的額外濾波電容。

（二）微控制器連接

ADS7870可以方便地與各種微控制器連接，下面以Motorola M68HC11和Intel 80C51為例進行介紹：

1. Motorola M68HC11（SPI）

M68HC11具有一個三線（如果算上從設備選擇則為四線）串行接口，通常稱為SPI。由于ADS7870不支持全雙工操作，只能進行讀寫操作。為了與M68HC11兼容，ADS7870的RISE/FALL引腳可以根據M68HC11的需求設置，接口控制寄存器中的2W/3W位、LSB位和8051位應清零。在實際連接中，可能需要在DOUT引腳添加一個上拉電阻，以防止在寫操作期間DOUT引腳浮空。如果需要，可以將CS引腳永久接地，但此時ADS7870必須是唯一的外設。

2. Intel 80C51

80C51在串行端口模式0下具有一個兩線（如果使用額外的I/O引腳作為CS