AD7190：高精度測量應用的理想選擇

在電子工程師的設計工作中，高精度模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換至關重要。ADI公司的AD7190，一款4.8 kHz超低噪聲24位Σ - Δ ADC，憑借其出色的性能和豐富的功能，成為了眾多高精度測量應用的理想選擇。今天，我們就來深入了解一下這款芯片。

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一、AD7190的特性亮點

1. 低噪聲與高分辨率

AD7190的噪聲性能非常出色，在4.7 Hz、增益為128時，RMS噪聲僅為8.5 nV，在2.4 kHz、增益為128時，能達到16位無噪聲位，增益為1時，最高可達22.5位無噪聲位。這使得它在處理微弱信號時表現(xiàn)卓越，能夠滿足高精度測量的需求。

2. 低漂移特性

其偏移漂移為5 nV/°C，增益漂移為1 ppm/°C，并且有指定的隨時間漂移特性。這種低漂移特性保證了芯片在不同環(huán)境條件下的穩(wěn)定性，減少了因溫度變化等因素導致的測量誤差。

3. 多通道與靈活配置

芯片擁有2個差分或4個偽差分輸入通道，并配備自動通道排序器。這使得它可以同時處理多個信號源，并且能夠根據(jù)需要靈活配置輸入通道，大大提高了系統(tǒng)的集成度和靈活性。

4. 可編程增益與輸出數(shù)據(jù)率

可編程增益范圍為1到128，輸出數(shù)據(jù)率可在4.7 Hz至4.8 kHz之間調(diào)整。這種靈活性使得AD7190能夠適應不同的應用場景，滿足各種信號處理的需求。

5. 電源與溫度范圍

模擬電源AVDD范圍為4.75 V至5.25 V，數(shù)字電源DVDD范圍為2.7 V至5.25 V，工作電流為6 mA，溫度范圍為 - 40°C至 + 105°C。這些參數(shù)表明它具有較好的電源適應性和溫度穩(wěn)定性，能夠在較為惡劣的環(huán)境中正常工作。

6. 接口兼容性

采用3線串行接口，與SPI、QSPI?、MICROWIRE?和DSP兼容，并且SCLK上有施密特觸發(fā)器。這種接口設計方便與各種微控制器和數(shù)字信號處理器連接，簡化了系統(tǒng)設計。

7. 汽車應用資質(zhì)

AD7190通過了汽車應用認證，這意味著它在汽車電子等對可靠性要求極高的領域也能得到廣泛應用。

二、AD7190的功能模塊

1. 模擬輸入通道

AD7190有兩個差分或四個偽差分模擬輸入通道，可選擇緩沖或非緩沖模式。在緩沖模式下，輸入通道連接到緩沖放大器的高阻抗輸入級，能容忍較大的源阻抗，適合直接連接外部電阻式傳感器，如應變計或電阻溫度探測器（RTD）。非緩沖模式下，模擬輸入電流會增大，并且輸入路徑會給驅(qū)動源帶來動態(tài)負載，使用時需要注意外部電阻/電容組合可能引入的增益誤差。

2. 可編程增益放大器（PGA）

PGA的存在使得小幅度信號能夠在AD7190內(nèi)部進行放大，同時保持出色的噪聲性能。通過配置寄存器中的G2 - G0位，可以將增益設置為1、8、16、32、64或128。在不同增益設置下，配合外部參考電壓，可實現(xiàn)不同的輸入范圍，滿足多樣化的應用需求。

3. 濾波器與輸出數(shù)據(jù)率

AD7190有sinc3和sinc4兩種濾波器可供選擇，通過模式寄存器中的SINC3位進行選擇。在低輸出數(shù)據(jù)率（<1 kHz）時，兩種濾波器的無噪聲分辨率相當；但在較高輸出數(shù)據(jù)率下，sinc4濾波器的無噪聲分辨率更好，且對50 Hz和60 Hz的抑制能力更強。

輸出數(shù)據(jù)率與濾波器類型、時鐘頻率以及模式寄存器中的FS[9:0]值有關。在不同的工作模式（斬波啟用或禁用）下，輸出數(shù)據(jù)率和建立時間的計算公式不同。例如，斬波禁用時，sinc4濾波器的建立時間為 (t{SETTLE }=4 / f{ADC }) ，sinc3濾波器的建立時間為 (t{SETTLE }=3 / f{ADC}) ；斬波啟用時，輸出數(shù)據(jù)率會降低，但建立時間會減少。

4. 時鐘源

芯片內(nèi)部集成了一個4.92 MHz的時鐘，其容差為±4%?？梢酝ㄟ^模式寄存器中的CLK1和CLK0位選擇使用內(nèi)部時鐘或外部晶體/時鐘作為時鐘源。使用外部晶體時，需將其連接在MCLK1和MCLK2引腳之間；使用外部時鐘源時，將其連接到MCLK2引腳，MCLK1引腳浮空。內(nèi)部時鐘還可以在MCLK2引腳輸出，方便多個ADC同步工作。

5. 校準功能

AD7190提供四種校準模式：內(nèi)部零刻度校準、內(nèi)部滿刻度校準、系統(tǒng)零刻度校準和系統(tǒng)滿刻度校準。校準可以在任何時候通過設置模式寄存器中的MD2 - MD0位進行。校準對于減少偏移誤差和增益誤差非常重要，特別是在增益改變時，建議進行校準操作。

6. 其他功能

• 參考檢測：通過配置寄存器中的REFDET位啟用參考檢測功能，當所選參考電壓在0.3 V至0.6 V之間時，狀態(tài)寄存器中的NOREF位會置1，此時轉(zhuǎn)換結(jié)果會被鉗位為全1。
• 溫度傳感器：芯片內(nèi)部集成了溫度傳感器，通過配置寄存器中的CH2位啟用。在雙極性模式下，溫度為0 K時，傳感器應返回代碼0x800000。經(jīng)過單點校準后，傳感器的典型精度為±2 °C。
• 橋接電源關斷開關：在橋接應用中，如應變計和稱重傳感器，橋接電源關斷開關可用于在不使用時斷開橋接電路，以減少系統(tǒng)電流消耗。開關能承受30 mA的連續(xù)電流，最大導通電阻為10 Ω。
• 邏輯輸出：AD7190有四個通用數(shù)字輸出引腳P0 - P3，通過GPOCON寄存器中的GP32EN和GP10EN位啟用。這些引腳的邏輯電平由AVDD決定，可用于驅(qū)動外部電路，如外部多路復用器。

三、AD7190的應用場景

1. 稱重秤

在稱重秤應用中，AD7190可以直接連接到稱重傳感器的橋接網(wǎng)絡。傳感器的差分輸出電壓可以作為AD7190的輸入，橋接的激勵電壓可以直接作為ADC的參考電壓。同時，橋接電源關斷開關可以在不進行測量時斷開橋接電路，降低系統(tǒng)功耗。此外，為了減少調(diào)制器采樣頻率及其倍數(shù)處的噪聲，建議在每個模擬輸入上添加R - C抗混疊濾波器。

2. 應變計傳感器

應變計傳感器輸出的微弱信號可以通過AD7190的PGA進行放大，然后進行高精度的數(shù)字轉(zhuǎn)換。其低噪聲和高分辨率特性能夠準確測量應變計的微小變化，適用于工業(yè)測量和結(jié)構監(jiān)測等領域。

3. 壓力測量

在壓力測量應用中，AD7190可以將壓力傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。其對50 Hz和60 Hz的良好抑制能力可以減少工頻干擾，提高測量的準確性。

4. 溫度測量

利用芯片內(nèi)部的溫度傳感器，可以實現(xiàn)對環(huán)境溫度的測量。經(jīng)過校準后，能夠滿足一定精度要求的溫度監(jiān)測需求。

5. 色譜分析

在色譜分析中，需要對微弱的信號進行高精度測量。AD7190的低噪聲和高分辨率特性使其能夠準確檢測色譜信號，為分析結(jié)果提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

6. PLC/DCS模擬輸入模塊

在可編程邏輯控制器（PLC）和分布式控制系統(tǒng)（DCS）中，AD7190可以作為模擬輸入模塊的核心部件，將各種模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，實現(xiàn)對工業(yè)過程的精確控制。

7. 醫(yī)療和科學儀器

在醫(yī)療和科學儀器領域，對測量精度和穩(wěn)定性要求極高。AD7190的出色性能能夠滿足這些應用的需求，例如在生物醫(yī)學信號檢測、實驗室儀器等方面都有廣泛的應用前景。

四、設計注意事項

1. 接地與布局

由于AD7190的模擬輸入和參考輸入是差分的，為了減少共模噪聲，需要將模擬和數(shù)字部分分開布局，并使用獨立的接地平面。同時，要注意避免數(shù)字電流流經(jīng)模擬地，避免在芯片下方鋪設數(shù)字線路，防止噪聲耦合。電源供應線路應盡可能寬，以降低阻抗，減少電源線上的干擾。

2. 濾波與去耦

在每個模擬輸入引腳連接R - C濾波器，以抑制調(diào)制器采樣頻率處的噪聲。同時，對模擬和數(shù)字電源進行適當?shù)娜ヱ?，將去耦電容盡可能靠近芯片放置，以提高電源的穩(wěn)定性。

3. 校準操作

在使用過程中，特別是在增益改變時，要及時進行校準操作，以確保測量的準確性。校準過程需要根據(jù)不同的校準模式和工作條件，合理安排校準時間和順序。

五、總結(jié)

AD7190以其低噪聲、高分辨率、靈活的配置和豐富的功能，為高精度測量應用提供了一個強大的解決方案。無論是在工業(yè)控制、傳感器測量還是汽車電子等領域，它都能發(fā)揮重要作用。作為電子工程師，在設計過程中充分了解和利用AD7190的特性，結(jié)合合理的布局和校準操作，能夠設計出性能卓越的系統(tǒng)。你在使用AD7190的過程中遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。