探索ADS7870：低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的卓越之選

在電子設(shè)計領(lǐng)域，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是連接模擬世界與數(shù)字世界的關(guān)鍵橋梁。今天，我們將深入了解德州儀器（Texas Instruments）的ADS7870，一款集多種功能于一身的12位、52 kSPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，看看它如何在眾多應(yīng)用場景中發(fā)揮重要作用。

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1. 產(chǎn)品概述

ADS7870是一款單芯片的低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，集成了4通道差分/8通道單端多路復(fù)用器、精密可編程增益放大器（PGA）、12位逐次逼近型模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器以及精密電壓基準(zhǔn)。它提供了多種可編程功能，適用于便攜式電池供電系統(tǒng)、低功耗儀器儀表、低功耗控制系統(tǒng)和智能傳感器應(yīng)用等場景。

2. 產(chǎn)品特性

2.1 可編程增益放大器（PGA）

PGA提供了1、2、4、5、8、10、16和20 V/V的增益選擇，能夠適應(yīng)不同幅度的輸入信號。其高輸入阻抗、出色的增益精度、良好的共模抑制比和低噪聲特性，使得在處理低電平信號時，無需在信號源和A/D輸入之間添加外部放大或阻抗緩沖電路。此外，PGA的失調(diào)電壓可以自動歸零，即使低至125 mV的信號也能產(chǎn)生滿量程的數(shù)字輸出。

2.2 可編程輸入配置

支持多達4通道差分或8通道單端輸入，也可以是兩者的組合，為不同的應(yīng)用需求提供了靈活的選擇。

2.3 內(nèi)部參考電壓

內(nèi)部參考電壓可配置為1.15 V、2.048 V或2.5 V，經(jīng)過微調(diào)以實現(xiàn)高初始精度和溫度穩(wěn)定性，典型漂移為10 ppm/°C。在多個ADS7870共享公共參考的情況下，也可以使用外部參考。

2.4 串行接口

SPI/DSP兼容的串行接口（≤20 MHz），支持SPI?、QSPI?、Microwire?和8051-family協(xié)議，無需額外的膠合邏輯。

2.5 高吞吐量

吞吐量速率達到52 kSamples/sec，能夠滿足高速數(shù)據(jù)采集的需求。

2.6 錯誤過載指示

提供錯誤過載指示器，方便用戶及時發(fā)現(xiàn)和處理異常情況。

2.7 可編程輸出格式

輸出可以選擇2s補碼或二進制格式，以適應(yīng)不同的系統(tǒng)需求。

2.8 寬電源電壓范圍

支持2.7 V至5.5 V的單電源操作，適用于各種電源環(huán)境。

2.9 4位數(shù)字I/O

通過串行接口提供4位數(shù)字輸入/輸出，方便與外部設(shè)備進行通信。

2.10 引腳兼容

與ADS7871引腳兼容，便于進行升級和替換。

2.11 封裝形式

采用SSOP-28封裝，節(jié)省電路板空間。

3. 電氣特性

3.1 模擬輸入特性

• 輸入電壓范圍：在線性操作時，LNx輸入的電壓范圍為 -0.2 V至VDD + 0.2 V。
• 輸入電容：4至9.7 pF。
• 輸入阻抗：共模輸入阻抗為6 MΩ，差分輸入阻抗為7 MΩ。
• 通道間串?dāng)_：在VI = 2 VPP、60 Hz的條件下，串?dāng)_為100 dB。
• 最大泄漏電流：100 pA。

3.2 靜態(tài)精度

• 分辨率：12位。
• 無丟失碼：在增益為1至20 V/V時，為12位。
• 積分線性度：在增益為1至20 V/V時，為 -2.5至±2 LSB。
• 差分線性度：在增益為1至20 V/V時，為±0.5 LSB。
• 失調(diào)誤差：在增益為1至20 V/V時，為 -6至±1 LSB。
• 滿量程增益誤差：在不同增益和配置下，誤差范圍在 -0.4%至0.4% FSR之間。
• 直流共模抑制比（RTI）：在VI = -0.2 V至5.2 V、增益為20 V/V時，為92 dB。
• 電源抑制比（RTI）：在VDD = 5 V ± 10%、增益為20 V/V時，為86 dB。

3.3 動態(tài)特性

• 吞吐量速率：連續(xù)模式下單通道和地址模式下不同通道的吞吐量均為52 ksample/s。
• 外部時鐘（CCLK）：范圍為0.1至20 MHz。
• 內(nèi)部振蕩器頻率：典型值為2.5 MHz。
• 串行接口時鐘（SCLK）：最大為20 MHz。
• 數(shù)據(jù)建立時間和保持時間：均為10 ns。

3.4 數(shù)字輸入和輸出特性

• 數(shù)字輸入邏輯電平：低電平輸入電壓VIL ≤ 0.8 V，高電平輸入電壓VIH根據(jù)VDD的不同而有所變化。
• 數(shù)字輸出邏輯電平：低電平輸出電壓VOL在不同負(fù)載電流下有不同的值，高電平輸出電壓VOH在不同負(fù)載電流下也有不同的值。
• 泄漏電流：在高阻狀態(tài)下，為1 μA。
• 輸出電容：5 pF。

3.5 電壓參考特性

• 帶隙電壓參考：可配置為1.15 V、2.048 V或2.5 V，輸出誤差在 -0.25%至0.25% FSR之間。
• 輸出驅(qū)動：±0.6 μA。

3.6 參考緩沖器特性

• 輸入電壓：0.9 V至VDD - 0.2 V。
• 輸入阻抗：1000 GΩ。
• 輸入失調(diào)： -10至±1 mV。
• 輸出電壓精度與溫度的關(guān)系：在VREF = 2.048 V和2.5 V時，誤差在 -0.25%至0.25% FSR之間，溫度系數(shù)為10至50 ppm/°C。
• 輸出驅(qū)動：20 mA。

3.7 電源要求

• 電源電壓：2.7至5.5 V。
• 電源電流：在不同采樣率和工作模式下，電流范圍從1 μA到1.7 mA不等。
• 功耗：在不同采樣率和工作模式下，功耗范圍從5 μW到8.5 mW不等。

3.8 溫度范圍

• 工作自由空氣溫度范圍： -40°C至85°C。
• 存儲溫度范圍： -65°C至150°C。
• 熱阻：65°C/W。

4. 功能描述

4.1 多路復(fù)用器

ADS7870的8個模擬信號輸入引腳（LN0至LN7）連接到一個模擬開關(guān)網(wǎng)絡(luò)（多路復(fù)用器），可以配置為8個單端輸入、4個差分輸入或其他組合。輸入信號的極性可以通過命令進行改變，而每個輸入線必須保持在線性輸入共模電壓范圍內(nèi)。此外，輸入引腳具有ESD保護電路，以防止靜電損壞。

4.2 轉(zhuǎn)換時鐘

轉(zhuǎn)換時鐘（CCLK）及其派生信號被用于電壓基準(zhǔn)、PGA和A/D轉(zhuǎn)換器。CCLK引腳可以作為輸入或輸出，通過OSC ENABLE引腳進行控制。內(nèi)部參考需要連續(xù)的時鐘信號，可以由內(nèi)部振蕩器獨立提供。ADS7870采用了電源節(jié)省技術(shù)，根據(jù)需要開啟和關(guān)閉PGA和A/D的偏置。串行接口時鐘獨立于轉(zhuǎn)換時鐘，可以更快或更慢地運行。

4.3 電壓參考和緩沖放大器

ADS7870使用了一種專利的開關(guān)電容實現(xiàn)的帶隙參考電路，具有曲率校正功能，可通過軟件配置輸出電壓。內(nèi)部參考輸出（VREF）需要一個單獨的緩沖放大器來提供負(fù)載電流。內(nèi)部參考緩沖器可以快速充電濾波電容，但只能吸收較小的電流。

4.4 可編程增益放大器

PGA提供了多種增益選擇，是一種單電源、軌到軌輸入、自動歸零、基于電容的儀表放大器。通過監(jiān)測輸出數(shù)據(jù)的最低有效位，可以檢測PGA輸出是否達到削波或非線性操作。此外，還可以通過讀取寄存器2來確定轉(zhuǎn)換過程中存在的故障條件。

4.5 A/D轉(zhuǎn)換器

ADS7870的12位A/D轉(zhuǎn)換器是逐次逼近型的，輸出為2s補碼格式，可以通過串行接口以MSB先或LSB先的方式讀取。輸入多路復(fù)用器可以配置為差分輸入或單端輸入，不同配置下的A/D轉(zhuǎn)換函數(shù)有所不同。

4.6 轉(zhuǎn)換周期

一個轉(zhuǎn)換周期需要48個DCLK（DCLK = CCLK/DF），其中PGA操作需要36個DCLK，SAR轉(zhuǎn)換器需要12個DCLK。在轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，所選MUX輸入的內(nèi)部電容負(fù)載會在6 pF至9.7 pF之間變化。為了減少電源消耗，每個功能的偏置只在轉(zhuǎn)換所需的時間內(nèi)開啟。

4.7 啟動A/D轉(zhuǎn)換周期

有四種方式可以啟動ADS7870的轉(zhuǎn)換：發(fā)送直接模式指令、向寄存器4或5寫入CNV位為1、斷言CONVERT引腳（邏輯高）。

4.8 串行接口

ADS7870通過數(shù)字串行端口接口與微處理器和其他外部電路進行通信，兼容多種流行的微控制器和數(shù)字信號處理器（DSP）。串行接口由四個主要引腳組成：SCLK（串行位時鐘）、DOUT（串行數(shù)據(jù)輸出）、DIN（串行數(shù)據(jù)輸入）和CS（芯片選擇）。

5. 應(yīng)用場景

ADS7870的低功耗、高集成度和靈活的配置特性使其適用于多種應(yīng)用場景，如便攜式電池供電系統(tǒng)、低功耗儀器儀表、低功耗控制系統(tǒng)和智能傳感器應(yīng)用等。在這些應(yīng)用中，ADS7870能夠高效地采集和處理模擬信號，為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

6. 總結(jié)

ADS7870是一款功能強大、性能卓越的低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它集成了多種功能，提供了豐富的可編程選項，適用于各種復(fù)雜的應(yīng)用場景。無論是在便攜式設(shè)備還是工業(yè)控制領(lǐng)域，ADS7870都能發(fā)揮重要作用。作為電子工程師，我們在設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時，不妨考慮一下這款優(yōu)秀的產(chǎn)品。你在實際應(yīng)用中是否使用過類似的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)呢？遇到過哪些問題？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。