高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1256的原理和應(yīng)用

ADS1256是TI公司Burr-Brown產(chǎn)品線推出的微功耗、高精度、8通道、24位△-∑型高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。該器件提供高達(dá)23比特的無噪聲精度、數(shù)據(jù)速率高達(dá)30kSPS（次采樣/秒）、0.0010%非線性特性（最大值）以及眾多的板上外設(shè)（輸入模擬多路開關(guān)、輸入緩沖器、可編程增益放大器和可編程數(shù)字濾波器等），可為設(shè)計人員帶來完整而高分辨率的量測解決方案。ADS1256采用SSOP-2封裝，1000顆采購量零售單價為8.95美元。

ADS1256主要特點

1、8通道輸入：可同時采集8路信號輸入。

2、測量范圍廣：基本范圍為0-5V輸入電壓，可在輸入端可焊接分壓電阻，將電壓調(diào)整至0-5V內(nèi)，所以此采集卡可采集市面上大部分標(biāo)準(zhǔn)電壓，

3、采集頻率高，精度高：采集卡的采集速率為30K/s，精度可達(dá)到0.00001。

4、工業(yè)應(yīng)用級布線，模地，數(shù)字地完全隔離，抗干擾能力強。

5、體積小，方便安裝應(yīng)用

6、跳帽設(shè)計，方便多重狀態(tài)組合

ADS1256內(nèi)部結(jié)構(gòu)

ADS1256的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。該器件主要由模擬多路開關(guān)（MUX）、輸入緩沖器（BUF）、可編程增益放大器（PGA）、四階△-∑調(diào)制器、可編程數(shù)字濾波器、時鐘發(fā)生器、控制器和串行SPI接口等組成。由于ADS1256提供有九路模擬輸入端，因此，可使用模擬多路開關(guān)寄存器來將其配置為4路差動輸入、8路單極輸入或差動輸入和單極輸入的組合。當(dāng)模擬輸入通道0被選擇為正差動輸入端（AINP）時，其余通道可被選擇為負(fù)差動輸入端（AINN）。通常，輸入引腳的選擇是沒有限制的，但是為了得到最佳的模擬性能，推薦如下的引腳連接方式：

1.作差動測量時，一般將AIN0~AIN7作為輸入端，不用AINCOM；

2.作單極測量時，一般將AIN0~AIN7作為單極輸入端；AINCOM作為公共輸入端，但是不把AINCOM接地；

3.將未用的模擬輸入引腳懸空，這樣有利于減小輸入泄漏電流。

ADS1256工作原理

ADS1256采用四線制（時鐘信號線SCLK、數(shù)據(jù)輸入線DIN、數(shù)據(jù)輸出線DOUT和偏片選線CS）SPI通信方式，只能工作在SPI通信的從模式下。設(shè)計時可以通過各種主控制器（如單片機等）來控制ADS1256片上的寄存器，并通過串口讀寫這些寄存器。串口通信時，必須保持CS為低電平。DRDY引腳用來表明轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，可以通過RDADA或者RDATAC命令從DOUT引腳讀取最新的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。在SPI通信過程中，可同步地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)也可來利用SCLK和DIN、DOUT信號同步移動。SCLK信號要盡量保持干凈以免發(fā)生數(shù)據(jù)錯誤，在SCLK的上升沿，可通過DIN向ADS1256發(fā)送數(shù)據(jù)，而在SCLK的上升沿，可通過DOUT從ADS1256讀取數(shù)據(jù)。DIN和DOUT也可以通過一條雙向信號線與主控制器相連，但在這種情況下，一定不能用RDATAC命令來讀取數(shù)據(jù)。圖2為SPI通信時序關(guān)系。

ADS1256有四個通用數(shù)字I/O口，所有的I/O口都可以通過IO寄存器設(shè)置為輸入或輸出。通過IO寄存器的DIR位可對每一個腳的輸入或輸出進行設(shè)置；DIO位用于控制每一個腳的狀態(tài)。通過D0腳可設(shè)置一個時鐘發(fā)生器以供別的設(shè)備使用（如微控制器等）。此時鐘可以通過ADCON寄存器的CLK0和CLK1位設(shè)置成fCLKIN、fCLKIN/2、fCLKIN/4。把D0作為時鐘要增加電壓的消耗，因此，如果不需要時鐘輸出功能，最好在上電或者復(fù)位后通過寫ADCON寄存器使其處于無效狀態(tài)。不用的IO引腳可以作為輸入接地，也可以設(shè)置為輸出，這樣有利于減小電源消耗。

ADS1256的主時鐘可以由外部晶振或時鐘發(fā)生器提供。由外部晶振產(chǎn)生時，PCB布線板上的晶振應(yīng)該盡量地靠近ADS1256。為了保證能夠起振并得到一個穩(wěn)定頻率，可使用一個外部電容（一般使用陶瓷電容）。晶振頻率一般選擇7.68MHz（即fCLKIN=7.68 MHz）。

ADS1256可通過復(fù)位引腳RESET、RESET命令和特殊串口通信時鐘SCLK三種方式進行復(fù)位。ADS1256的同步操作則有SYNC/PDWN引腳和SYNC命令兩種方式。

ADS1256工作過程的建立主要是通過對11個獨立寄存器的設(shè)置來完成，這些寄存器包括了所有需要設(shè)置的信息，如采樣速度、模擬多路開關(guān)、PGA設(shè)置、I/O選擇、自校準(zhǔn)等。表1給出了ADS1256的主要寄存器狀態(tài)，其中包括：狀態(tài)寄存器STATUS、模擬多路開關(guān)寄存器MUX、AD控制寄存器ADCON和數(shù)據(jù)速度寄存器DRATE。

其中，狀態(tài)寄存器STATUS（地址00h，復(fù)位值為X1H）的高四位（ID位）由出廠設(shè)定，ORDER位為數(shù)據(jù)輸出順序選擇位，為0時，數(shù)據(jù)輸出高位在先（默認(rèn)）；為1時，數(shù)據(jù)輸出低位在先。ACAL位為自動校準(zhǔn)選擇位，為0時，自動校準(zhǔn)關(guān)閉（默認(rèn)）；為1時，自動校準(zhǔn)開啟。BUFFER位為輸入緩沖選擇位，為0時，輸入緩沖關(guān)閉（默認(rèn)）；為1時，輸入緩沖開啟。DRDY位為轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)狀態(tài)位，此位完全復(fù)制DRDY引腳的狀態(tài)，DRDY低電平時，表明數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果可以讀出；高電平時，表明沒有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換或者正在轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，此時不能讀數(shù)據(jù)。