深度剖析ADS1242和ADS1243：高精度ADC的卓越之選

在電子工程師的日常工作中，高精度模擬 - 數字轉換器（ADC）的選擇至關重要，它直接影響到系統的性能和精度。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）的ADS1242和ADS1243這兩款24位高精度ADC，看看它們在設計和應用中究竟有哪些獨特之處。

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一、產品概述

ADS1242和ADS1243是德州儀器推出的高精度、寬動態范圍的Δ - Σ型ADC，工作電壓范圍為2.7V至5.25V。它們具備24位無失碼性能，有效分辨率高達21位，能夠滿足各種高精度測量的需求。

（一）主要特性

1. 高精度與高分辨率：24位無失碼，有效分辨率可達21位（PGA = 1時），19位（PGA = 128時），積分非線性（INL）低至0.0015% FS，確保了測量的高精度。
2. 50Hz和60Hz同時抑制：能夠實現 - 90dB的最小抑制，有效減少電源頻率干擾，提高測量的穩定性。
3. 可編程增益放大器（PGA）：增益范圍從1到128，可根據實際需求靈活調整，提高系統的動態范圍。
4. 單周期穩定：數字濾波器能夠在新通道選擇后的第一個轉換周期內提供有效數據，減少了等待時間。
5. 多種輸入通道和數據I/O：ADS1242最多有4個通道，ADS1243最多有8個通道，并且這些通道還可作為數據I/O使用，增加了設計的靈活性。
6. 低功耗：功耗僅為600μW，適合便攜式設備等對功耗要求較高的應用。

（二）應用領域

由于其高精度和多功能性，ADS1242和ADS1243廣泛應用于工業過程控制、液體/氣相色譜分析、血液分析、智能變送器、便攜式儀器和稱重秤等領域。

二、關鍵技術解析

（一）輸入多路復用器

輸入多路復用器允許用戶在任何輸入通道上選擇任意組合的差分輸入。ADS1243最多可支持7個單端輸入通道或4個獨立差分輸入通道，ADS1242最多可支持3個單端輸入通道或2個獨立差分輸入通道。同時，它采用單周期穩定數字濾波器，在新通道選擇后能快速提供有效數據。為了減少穩定誤差，建議在DRDY下降沿同步MUX更改。

（二）燒斷電流源

燒斷電流源可用于檢測傳感器的短路或開路情況。通過設置SETUP寄存器中的BOCS位，可激活兩個2μA的電流源。當傳感器開路時，正輸入電流源使正輸入接正模擬電源，負輸入電流源使負輸入接地，ADC輸出滿量程；當傳感器短路時，ADC信號輸出近似為零。

（三）輸入緩沖器

在未啟用緩沖器時，ADS1242/43的輸入阻抗約為5MΩ/PGA。啟用緩沖器后，輸入阻抗可提高到約5GΩ，適用于對輸入阻抗要求較高的系統。緩沖器的輸入范圍約為50mV至$V_{DD}-1.5V$，超出此范圍線性度會下降。緩沖器可通過BUFEN引腳或ACR寄存器中的BUFEN位啟用，啟用后會增加額外的電流消耗。

（四）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。使用PGA可以提高ADC的有效分辨率，例如在5V滿量程信號下，PGA為1時可分辨到1μV；PGA為128且滿量程信號為39mV時，可分辨到75nV。不過，當PGA設置高于4時，$V_{DD}$電流會增加。

（五）偏移DAC

偏移DAC（ODAC）寄存器可將PGA的輸入偏移其滿量程輸入范圍的一半。ODAC寄存器是一個8位值，MSB為符號位，7個LSB提供偏移量。使用偏移DAC不會降低ADC的性能，具體偏移量可根據RANGE位和OSET值計算。

（六）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SETUP寄存器中的SPEED位決定。不同的SPEED位設置會影響調制器的時鐘速度和數據輸出速率。

（七）校準

ADS1242和ADS1243支持自校準和系統校準，可有效減少偏移和增益誤差。自校準包括偏移和增益自校準（SELFCAL）、自偏移校準（SELFOCAL）和自增益校準（SELFGCAL）；系統校準包括系統偏移校準（SYSOCAL）和系統增益校準（SYSGCAL）。校準應在電源開啟、溫度變化或PGA改變后進行，校準期間應禁用ODAC，校準完成后DRDY信號會變低，第一個數據應丟棄。

（八）外部電壓參考

這兩款ADC需要外部電壓參考，參考電壓值通過ACR寄存器選擇。外部電壓參考是差分的，由$+V{REF}$和$-V{REF}$引腳之間的電壓差表示，每個引腳的絕對電壓范圍為GND至$V{DD}$，但不同的$V{DD}$和RANGE設置對參考電壓有不同的限制。

（九）時鐘發生器

時鐘源可以是晶體、振蕩器或外部時鐘。使用晶體時，需要提供外部電容以確保啟動和穩定的時鐘頻率。$X_{OUT}$僅用于外部晶體，不能用作外部電路的時鐘驅動。

（十）數字濾波器

ADS1242和ADS1243采用1279抽頭線性相位有限脈沖響應（FIR）數字濾波器，可根據不同的晶體頻率配置不同的數據輸出速率。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。如果需要不同的數據輸出速率，可使用不同的晶體頻率，但抑制頻率會相應偏移。

（十一）數據I/O接口

ADS1242有4個引腳，ADS1243有8個引腳可同時作為模擬輸入和數據I/O。這些引腳通過IOCON、DIR和DIO寄存器配置，可單獨設置為模擬輸入或數據I/O。IOCON寄存器定義引腳類型，DIR寄存器控制數據引腳方向，DIO寄存器控制輸出狀態。即使引腳配置為數據I/O，仍可進行A/D轉換。

（十二）串行外設接口（SPI）

SPI接口允許控制器與ADS1242和ADS1243同步通信，它們工作在從機模式。SPI接口采用標準的四線制（CS、SCLK、$D{IN}$和$D{OUT}$），CS輸入必須在通信前外部置低，通信期間保持低電平，CS可硬連線為低電平。SCLK用于時鐘$D{IN}$和$D{OUT}$數據，應確保其干凈以防止數據誤移。$D{IN}$和$D{OUT}$用于接收和發送數據，$D_{OUT}$在不使用時為高阻抗。

（十三）數據準備（DRDY）引腳

DRDY線作為狀態信號，當DOR寄存器中有新數據時變低，數據讀取完成后變高。在輸出寄存器更新前也會變高，以指示此時不應讀取數據。DRDY的狀態也可通過查詢ACR寄存器的第7位獲得，SPI接口可通過將CS輸入置低工作在三線模式。

（十四）DSYNC操作

通過DSYNC命令可實現同步，發送該命令時，數字濾波器在DSYNC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、寄存器與控制命令

（一）寄存器

ADS1242和ADS1243共有16個寄存器，包括SETUP、MUX、ACR、ODAC等，每個寄存器都有特定的功能，用于配置ADC的各種參數，如增益、通道選擇、數據格式、校準設置等。例如，SETUP寄存器用于設置PGA增益和燒斷電流源；MUX寄存器用于選擇輸入通道；ACR寄存器用于設置數據格式、調制器時鐘速度、緩沖器啟用等。

（二）控制命令

通過一系列控制命令可實現對ADS1242和ADS1243的各種操作，如讀取數據（RDATA、RDATAC）、停止連續讀取（STOPC）、讀寫寄存器（RREG、WREG）、校準（SELFCAL、SELFOCAL、SELFGCAL、SYSOCAL、SYSGCAL）、睡眠和喚醒（SLEEP、WAKEUP）、同步（DSYNC）和復位（RESET）等。每個命令都有相應的操作碼和數據傳輸序列。

四、應用示例

（一）通用稱重秤

在通用稱重秤應用中，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直接連接到ADS1242的差分輸入。

（二）高精度稱重秤

對于高精度稱重秤應用，前端差分放大器可幫助最大化動態范圍，提高測量精度。

五、總結

ADS1242和ADS1243憑借其高精度、高分辨率、多功能性和低功耗等優點，成為了電子工程師在高精度測量應用中的理想選擇。通過深入了解它們的特性、技術原理、寄存器配置和控制命令，我們可以更好地將其應用到實際項目中，發揮出它們的最大優勢。在實際設計過程中，工程師們還需要根據具體的應用需求和系統要求，合理選擇參數和配置，以確保系統的性能和穩定性。你在使用ADS1242和ADS1243的過程中遇到過哪些問題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。