德州仪器ADS1254：高精度24位ADC的全面解析
在电子设计领域，高精度模拟 - 数字转换器（ADC）一直是许多测量和控制应用的核心组件。德州仪器（TI）的ADS1254就是这样一款备受关注的产品，它以其出色的性能和丰富的特性，在多个领域展现出强大的应用潜力。今天，我们就来深入剖析一下这款ADS1254 ADC。
文件下载：ads1254.pdf
一、ADS1254概述
ADS1254是一款具有24位分辨率的高精度、宽动态范围的Δ - Σ型ADC。它采用了Δ - Σ架构，确保了24位无丢失码的性能，在高达20kHz的数据速率下，有效分辨率可达19位（均方根噪声为1.8ppm）。该转换器具有低噪声（1.8ppm）、四个差分输入通道、积分非线性（INL）最大为15ppm等特点，非常适合用于心脏诊断、智能变送器、工业过程控制、电子秤、色谱分析和便携式仪器等高精度测量应用。
二、关键特性
高精度与高分辨率
- 无丢失码与有效分辨率：ADS1254能够实现24位无丢失码的性能，在高达20kHz的数据速率下，有效分辨率可达19位。这意味着它可以对模拟信号进行非常精确的数字化转换，为后续的数据处理提供了高质量的基础。
- 低噪声：噪声水平仅为1.8ppm，这使得ADS1254在处理微弱信号时具有很大的优势，能够减少噪声对测量结果的影响，提高测量的准确性。
多通道与灵活配置
- 四个差分输入通道：提供了四个差分输入通道，可同时对多个模拟信号进行测量，适用于需要多通道测量的应用场景，如工业过程控制中的多参数监测。
- 灵活的通道选择：通过CHSEL1和CHSEL0引脚可以方便地选择模拟输入通道，并且在通道切换后能够快速输出有效数据，实现接近4kHz的采样率。
低功耗与多种工作模式
- 低功耗设计：在20kHz的数据速率下，功耗仅为4mW，适合用于对功耗要求较高的便携式仪器等应用。
- 多种工作模式：具备外部参考（0.5V - 5V）、掉电模式和同步模式等，可根据不同的应用需求进行灵活配置，以优化系统的性能和功耗。
简单的串行接口与隔离特性
- 两线同步串行接口：采用灵活的两线同步串行接口，方便与微控制器和数字信号处理器进行连接，降低了系统设计的复杂度。
- 易于隔离：该接口为数据采集提供了简单的隔离方法，仅需SCLK和DOUT/DRDY两个信号即可实现隔离数据采集，提高了系统的抗干扰能力。
三、工作原理
模拟输入
ADS1254采用全差分模拟输入结构，基于全差分开关电容架构设计，具有102dB的共模抑制比和良好的电源抑制比，能够有效降低系统噪声。其输入阻抗与系统时钟频率（CLK）有关，计算公式为$A_{IN} Impedance (\Omega)=(8 MHz / CLK) \cdot 125,000$。在实际应用中，需要注意输入阻抗对测量精度的影响，以及限制输入电流和对输入信号进行带宽限制，以防止信号失真和混叠。
输入多路复用器
通过CHSEL1和CHSEL0引脚可以选择不同的模拟输入通道。在进行通道切换时，建议在完成前一通道的转换并读取数据后进行，以确保新通道的转换数据有效。在多路复用输入时，能够实现接近4kHz的采样率。
Δ - Σ调制器
ADS1254的调制器频率与系统时钟频率相关，系统时钟频率除以6得到调制器频率。例如，当系统时钟频率为8MHz时，调制器频率为1.333MHz。调制器的过采样率固定为64，数据输出速率为20.8kHz。通过改变系统时钟频率可以调整数据输出速率。
数字滤波器
数字滤波器采用sinc5滤波器，对Δ - Σ调制器的输出进行处理。其数据输出速率与系统CLK频率成正比，并且可以通过设置数据输出速率来调整滤波器的陷波频率，以实现对特定频率信号的抑制。例如，若要抑制50Hz或60Hz的电源频率，可以将数据输出速率设置为相应的频率。此外，较低的数据输出速率能够提供更好的信号抑制效果。
控制逻辑
控制逻辑用于ADS1254的通信和控制，包括上电序列、DOUT/DRDY信号的处理、多转换器同步和掉电模式等功能。上电前，所有数字和模拟输入引脚必须为低电平；DOUT/DRDY信号用于指示数据准备就绪和输出数据；通过保持SCLK高电平可以实现多转换器同步和进入掉电模式。
串行接口
ADS1254的串行接口简单易用，数据以24位结果的形式，采用偏移二进制补码格式，MSB优先传输。在读取数据时，需要在ADS1254进入DRDY模式之前将数据时钟输出，以确保接收到有效数据。
四、布局与系统考虑
电源供应
为了保证ADS1254的高精度性能，电源供应应具备良好的稳压和低噪声特性。避免在器件下方铺设数字线路，以防止噪声耦合到芯片上，影响转换结果。
接地设计
系统设计中的模拟和数字部分应进行清晰的分区，分别设置独立的接地平面，并通过适当的信号走线连接。对于多个转换器，应在尽可能靠近所有转换器的位置连接两个接地平面。
去耦处理
在设计中应采用良好的去耦措施，将去耦电容（特别是0.1µF陶瓷电容）尽可能靠近需要去耦的引脚放置。同时，使用1µF - 10µF电容与0.1µF陶瓷电容并联，将电源与地进行去耦。
系统整体考虑
系统的电源和接地设计应根据具体需求和设计进行调整。对于要求24位噪声性能的系统，设计难度较大，需要对系统进行细致的划分和优化。在简单系统中，可以采用共用电源和接地平面的方式；而在复杂系统中，应将系统划分为多个部分，以提高系统的分辨率和抗干扰能力。
五、术语定义与性能提升
文档中对一些关键术语进行了定义，如模拟输入差分电压、实际模拟输入电压、满量程范围、最低有效位权重、转换周期、有效分辨率、调制器频率、数据输出速率和噪声降低等。通过对这些术语的理解，可以更好地评估和优化ADS1254的性能。对于随机噪声，可以通过平均的方法提高有效分辨率，减少噪声影响。例如，使用36位累加器进行平均计算，可以在较低的数据速率下实现24位的分辨率。
六、总结
ADS1254作为一款高精度、低功耗的24位ADC，具有出色的性能和丰富的特性，适用于多种高精度测量应用。在实际设计中，需要充分考虑其工作原理、布局要求和系统特性，以确保系统能够发挥出最佳性能。同时，通过合理运用术语定义和性能提升方法，可以进一步优化系统的性能，满足不同应用的需求。各位工程师在使用ADS1254时，不妨结合实际情况，深入挖掘其潜力，打造出更加优秀的电子系统。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区交流分享。
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