在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是連接模擬世界和數(shù)字世界的關(guān)鍵橋梁。而Delta-Sigma調(diào)制器作為一種特殊的ADC架構(gòu)，以其高分辨率、低噪聲等優(yōu)勢(shì)，在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中得到了廣泛應(yīng)用。今天，我們就來(lái)深入探討德州儀器（TI）的ADS1203——一款16位分辨率的Delta-Sigma調(diào)制器。

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一、ADS1203概述

ADS1203是一款單通道、二階、CMOS Delta-Sigma調(diào)制器，專為中高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換而設(shè)計(jì)，適用于從直流到39kHz的信號(hào)處理，過(guò)采樣比（OSR）可達(dá)256。其主要特點(diǎn)包括：

• 高分辨率：具備16位分辨率和14位線性度，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換。
• 寬輸入范圍：在單+5V電源供電下，輸入范圍可達(dá)±250mV。
• 靈活的時(shí)鐘源：時(shí)鐘源可以是內(nèi)部的，也可以是外部的，不同的時(shí)鐘頻率可實(shí)現(xiàn)多種解決方案和信號(hào)帶寬。
• 多種工作模式：支持四種不同的工作模式，可根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。
• 寬溫度范圍：工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C，適用于各種惡劣環(huán)境。

二、關(guān)鍵參數(shù)與性能指標(biāo)

2.1 絕對(duì)最大額定值與推薦工作條件

在使用ADS1203時(shí)，必須嚴(yán)格遵守其絕對(duì)最大額定值，以避免對(duì)器件造成永久性損壞。例如，電源電壓范圍為 -0.3V 至 6V，模擬輸入電壓相對(duì)于AGND或GND的范圍為 AGND - 0.3V 至 AVDD + 0.3V 等。

推薦工作條件則為器件的正常工作提供了最佳參數(shù)范圍。如電源電壓推薦為4.5V至5.5V，外部時(shí)鐘頻率在模式3下推薦為16MHz至24MHz等。

2.2 電氣特性

ADS1203的電氣特性決定了其在實(shí)際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)。以下是一些關(guān)鍵的電氣特性參數(shù)：

• 直流精度：積分線性誤差（INL）最大為±4 LSB，差分非線性（DNL）最大為±1 LSB，輸入失調(diào)（Vos）最大為±1000μV等。
• 交流精度：信號(hào)與噪聲加失真比（SINAD）在VIN = ±250mVPP at 5kHz時(shí)典型值為85dB，總諧波失真（THD）在相同條件下最大為 -87dB。
• 電壓參考輸出：參考電壓輸出（VOUT）典型值為2.5V，溫度漂移（dVOUT/dT）在 -40°C 至 +85°C 范圍內(nèi)最大為±30ppm/°C。

三、工作原理

3.1 模擬輸入級(jí)

ADS1203的模擬輸入級(jí)采用了全差分開關(guān)電容架構(gòu)，這種架構(gòu)能夠有效降低系統(tǒng)噪聲，提高共模抑制比（CMRR）和電源抑制比（PSRR）。其輸入阻抗與調(diào)制器時(shí)鐘頻率有關(guān)，關(guān)系為 $Z{IN}=\frac{28kΩ}{f{CLK}/10MHz}$。當(dāng)輸入信號(hào)的源阻抗較高時(shí)，需要考慮輸入阻抗對(duì)增益、線性度和THD的影響。

3.2 調(diào)制器

ADS1203可以在四種模式下工作。模式0、1和2使用內(nèi)部固定為20MHz的時(shí)鐘，模式3則可以使用外部時(shí)鐘，外部時(shí)鐘頻率范圍為1MHz至32MHz。調(diào)制器本質(zhì)上是一個(gè)二階開關(guān)電容Delta-Sigma調(diào)制器，通過(guò)對(duì)模擬輸入電壓和1位數(shù)字 - 模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）的輸出進(jìn)行差分比較，將模擬輸入信號(hào)數(shù)字化為1位輸出流。

3.3 數(shù)字輸出與接口

差分輸入信號(hào)為0V時(shí)，理想情況下輸出的1和0數(shù)據(jù)流高電平占比為50%；差分輸入為 +256mV 時(shí)，高電平占比為80%；差分輸入為 -256mV 時(shí)，高電平占比為20%。

ADS1203的數(shù)字接口支持四種工作模式，通過(guò)M0和M1引腳進(jìn)行配置。不同模式下，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)的輸出方式有所不同，以滿足不同應(yīng)用的需求。例如，模式2采用曼徹斯特編碼，可實(shí)現(xiàn)單線路數(shù)據(jù)傳輸，減少布線復(fù)雜度。

四、濾波器的選擇與應(yīng)用

調(diào)制器輸出的只是一個(gè)位流，為了得到與模擬輸入電壓等效的數(shù)字字，需要使用數(shù)字濾波器對(duì)其進(jìn)行處理。Sinc3濾波器是一種簡(jiǎn)單且常用的濾波器，其表達(dá)式為 $H(z)=\left(\frac{1 - z^{-OSR}}{1 - z^{-1}}\right)^{3}$。該濾波器在硬件規(guī)模較小的情況下能提供較好的輸出性能，適用于過(guò)采樣比在16至256范圍內(nèi)的應(yīng)用。

在某些應(yīng)用中，可能需要使用其他類型的濾波器來(lái)獲得更好的頻率響應(yīng)。例如，在電機(jī)控制應(yīng)用中，為了實(shí)現(xiàn)過(guò)電流檢測(cè)的快速響應(yīng)，可能需要選擇Sinc2濾波器或其改進(jìn)版本Sincfast濾波器。

五、應(yīng)用案例

5.1 電機(jī)控制中的電流測(cè)量

在電機(jī)控制應(yīng)用中，ADS1203可用于測(cè)量電機(jī)相電流。以模式0為例，通過(guò)分流電阻測(cè)量電流，同時(shí)使用濾波器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波，以提高測(cè)量精度。輸出信號(hào)MCLK和MDAT可直接連接到光耦合器，再傳輸?shù)?a target="_blank">DSP進(jìn)行處理。

5.2 減少組件數(shù)量的應(yīng)用

當(dāng)需要減少組件數(shù)量時(shí)，ADS1203可以工作在模式2。此時(shí)，輸出信號(hào)采用曼徹斯特編碼，只需一個(gè)光耦合器通道進(jìn)行傳輸，同時(shí)DSP也只需使用一條線路接收數(shù)據(jù)，從而可以使用更小封裝的DSP。

六、布局考慮

6.1 電源供應(yīng)

ADS1203只需要一個(gè)電源（VDD）。如果電路板上有單獨(dú)的模擬和數(shù)字電源，建議將ADS1203連接到模擬電源。為了控制噪聲，可以在電源上使用電阻，如通過(guò)一個(gè)10Ω電阻連接ADS1203的電源引腳，并結(jié)合去耦電容進(jìn)行濾波。

6.2 接地

模擬和數(shù)字部分的設(shè)計(jì)必須進(jìn)行仔細(xì)的分區(qū)，每個(gè)部分應(yīng)有獨(dú)立的接地平面，且不重疊。通過(guò)在轉(zhuǎn)換器下方使用適度的信號(hào)走線連接兩個(gè)接地平面，對(duì)于多個(gè)轉(zhuǎn)換器，應(yīng)盡可能在一個(gè)中心位置連接兩個(gè)接地平面。

6.3 去耦

良好的去耦措施對(duì)于ADS1203和整個(gè)設(shè)計(jì)中的所有組件都非常重要。所有去耦電容，特別是0.1μF的陶瓷電容，應(yīng)盡可能靠近被去耦的引腳放置?？梢允褂?μF和10μF的電容與0.1μF的陶瓷電容并聯(lián)，對(duì)VDD到GND進(jìn)行去耦。

七、總結(jié)

ADS1203作為一款高性能的Delta-Sigma調(diào)制器，憑借其高分辨率、寬輸入范圍、靈活的工作模式和良好的電氣性能，在電機(jī)控制、工業(yè)過(guò)程控制、儀器儀表等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)具體應(yīng)用需求合理選擇工作模式和濾波器，并注意布局和電源管理等方面的問(wèn)題，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。

你在使用ADS1203的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題？或者你對(duì)Delta-Sigma調(diào)制器的設(shè)計(jì)有什么獨(dú)特的見解？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。