在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而合適的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）能為設(shè)計(jì)帶來(lái)事半功倍的效果。今天，我們就來(lái)深入探討德州儀器（Texas Instruments）推出的ADS1000，一款具有 $I^{2}C^{TM}$ 接口的低功耗12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

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產(chǎn)品概述

ADS1000采用小巧的SOT - 23封裝，卻集成了完整的12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它具有低電流消耗的特點(diǎn)，僅需90μA，積分非線性誤差最大為1LSB。其單周期轉(zhuǎn)換功能搭配可編程增益放大器，增益可選1、2、4或8，數(shù)據(jù)速率達(dá)128SPS。此外，它擁有 $I^{2}C$ 接口，提供兩個(gè)可用地址，電源范圍為2.7V至5.5V，并且與16位的ADS1100引腳和軟件兼容。這些特性使得ADS1000在電壓監(jiān)測(cè)、電池管理、工業(yè)過(guò)程控制、消費(fèi)品和溫度測(cè)量等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵特性剖析

低功耗與高性能

低電流消耗是ADS1000的一大亮點(diǎn)，這使得它在對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景中表現(xiàn)出色，例如便攜式設(shè)備。同時(shí)，其12位的分辨率和低積分非線性誤差能夠保證測(cè)量的精度，為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

可編程增益放大器

可編程增益放大器為用戶提供了更多的靈活性。通過(guò)設(shè)置不同的增益值，可以適應(yīng)不同幅度的輸入信號(hào)，從而提高測(cè)量的分辨率和準(zhǔn)確性。比如，對(duì)于較小的信號(hào)，可以選擇較高的增益值進(jìn)行放大，以便更精確地測(cè)量。

$I^{2}C$ 接口

$I^{2}C$ 接口是一種常用的串行通信接口，具有簡(jiǎn)單、方便的特點(diǎn)。ADS1000的 $I^{2}C$ 接口支持兩個(gè)可用地址，這意味著在同一總線上可以連接多個(gè)ADS1000設(shè)備，增加了系統(tǒng)的擴(kuò)展性。而且，它與標(biāo)準(zhǔn)、快速和高速模式的 $I^{2}C$ 控制器都能直接接口，兼容性良好。

工作原理詳解

模數(shù)轉(zhuǎn)換核心

ADS1000采用開(kāi)關(guān)電容輸入級(jí)，對(duì)于外部電路來(lái)說(shuō)，它大致相當(dāng)于一個(gè)電阻，其阻值取決于電容值和開(kāi)關(guān)頻率。開(kāi)關(guān)時(shí)鐘由板載時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生，頻率通常為275kHz，且受電源電壓和溫度的影響。不同的增益設(shè)置會(huì)影響電容值，進(jìn)而影響輸入阻抗。對(duì)于增益設(shè)置為PGA的情況，差分輸入阻抗典型值為2.4MΩ/PGA，共模阻抗典型值為8MΩ。

輸出代碼計(jì)算

ADS1000以二進(jìn)制補(bǔ)碼格式輸出代碼，輸出代碼范圍為 - 2048至2047，計(jì)算公式為 $Output Code =2048(PGA)\left(\frac{V{IN+}-V{IN^{-}}}{V_{DD}}\right)$。通過(guò)這個(gè)公式，我們可以根據(jù)輸入電壓和電源電壓計(jì)算出對(duì)應(yīng)的輸出代碼。

時(shí)鐘發(fā)生器

板載時(shí)鐘發(fā)生器是ADS1000的重要組成部分，其數(shù)據(jù)速率會(huì)隨電源電壓和溫度發(fā)生變化。需要注意的是，ADS1000不能使用外部時(shí)鐘，只能依靠?jī)?nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器工作。

工作模式

ADS1000有連續(xù)轉(zhuǎn)換和單轉(zhuǎn)換兩種工作模式。在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，它會(huì)持續(xù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后將結(jié)果存入輸出寄存器，并立即開(kāi)始下一次轉(zhuǎn)換。此時(shí)，配置寄存器中的ST/BSY位始終為'1'。而在單轉(zhuǎn)換模式下，ADS1000會(huì)等待轉(zhuǎn)換寄存器中的ST/BSY位被設(shè)置為'1'，然后啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后將結(jié)果存入輸出寄存器，將ST/BSY位復(fù)位為'0'并進(jìn)入低功耗狀態(tài)。

寄存器配置

ADS1000有輸出寄存器和配置寄存器兩個(gè)可通過(guò) $I^{2}C$ 端口訪問(wèn)的寄存器。

輸出寄存器

16位的輸出寄存器以二進(jìn)制補(bǔ)碼格式存儲(chǔ)最后一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果，輸出代碼右對(duì)齊并進(jìn)行符號(hào)擴(kuò)展。復(fù)位或上電后，輸出寄存器會(huì)清零，直到第一次轉(zhuǎn)換完成。

配置寄存器

8位的配置寄存器用于控制ADS1000的工作模式和PGA設(shè)置，默認(rèn)設(shè)置為80H。其中，位1和0控制增益設(shè)置，位7的ST/BSY位在不同工作模式下有不同的含義。在單轉(zhuǎn)換模式下，寫(xiě)入'1'會(huì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換；在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，寫(xiě)入的值會(huì)被忽略。讀取時(shí)，ST/BSY位可以指示A/D轉(zhuǎn)換器是否正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

基本連接

ADS1000的基本連接非常簡(jiǎn)單，其全差分電壓輸入適合連接到源阻抗適中的差分源，如橋式傳感器和熱敏電阻。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，它會(huì)產(chǎn)生短時(shí)的電流尖峰，因此需要一個(gè)0.1μF的旁路電容來(lái)提供額外的電流。同時(shí)，由于 $I^{2}C$ 總線驅(qū)動(dòng)是開(kāi)漏的，SDA和SCL線上需要上拉電阻，電阻的大小要根據(jù)總線工作速度和總線電容來(lái)選擇。

多設(shè)備連接

在同一總線上連接多個(gè)ADS1000設(shè)備也很容易，只需確保它們的地址不同即可。需要注意的是，每條總線只需要一組上拉電阻，并且為了補(bǔ)償多個(gè)設(shè)備帶來(lái)的額外總線電容和線長(zhǎng)增加的影響，可能需要適當(dāng)降低上拉電阻的值。

單端輸入

雖然ADS1000是全差分輸入，但它也可以輕松測(cè)量單端信號(hào)。通過(guò)將一個(gè)輸入引腳接地，另一個(gè)引腳連接輸入信號(hào)即可。不過(guò)，這種方式會(huì)損失一位分辨率，可以使用DRV134平衡線驅(qū)動(dòng)器或THS4130差分放大器來(lái)恢復(fù)分辨率。

低側(cè)電流監(jiān)測(cè)

對(duì)于低側(cè)分流型電流監(jiān)測(cè)應(yīng)用，可以使用ADS1000讀取分流電阻上的電壓。推薦將ADS1000的增益設(shè)置為8，同時(shí)降低OPA335低漂移運(yùn)算放大器的增益，以確保系統(tǒng)的性能。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

過(guò)壓保護(hù)

ADS1000的模擬輸入雖然有保護(hù)二極管，但電流處理能力有限。長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)電源軌約300mV的模擬輸入電壓可能會(huì)永久損壞器件。因此，建議在輸入線上放置限流電阻，以保護(hù)器件。

電源濾波

ADS1000以電源作為參考電壓，因此電源的質(zhì)量對(duì)其性能至關(guān)重要。使用電源濾波電容時(shí)，應(yīng)將其靠近 $V_{DD}$ 引腳放置，避免在電容和引腳之間放置過(guò)孔，并盡量加寬連接引腳的走線。

前端電路性能

如果使用運(yùn)算放大器或其他前端電路與ADS1000配合使用，一定要考慮這些電路的性能特性，因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)的性能取決于最薄弱的環(huán)節(jié)。

ADS1000憑借其低功耗、高性能、靈活的配置和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，成為電子工程師在模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)中的一個(gè)優(yōu)秀選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的需求合理配置和使用它，并注意相關(guān)的設(shè)計(jì)事項(xiàng)，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。你在使用ADS1000的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。