带自校准功能的精密ADC芯片ADS1100及其应用

mayer | 2009-08-20 18:53:01 阅读：2265

刘文豫东南大学集成电路学院

概述
ADS1100是美国TI（Texas Instruments Incorporated）公司生产的全差分输入、16位分辨率、SOT23－6封装、有自校准功能的精密A/D转换器，该芯片的内置自校准系统对于用户是透明的。ADS1100使用I2C串行接口以电源电压作用参考电压，片内可编程增益放大器（PGA）可提供最大的为8的增益，因此，即使在高分辨情况下也能采样到小信号，在单次转换模式下，ADS1100在一次转换结束后可自动关闭自身电源，因而可减少系统在空闲周期的电流消耗，由于ADS1100的易用性，故可以大大降低精密测量设备工作的工作量，ADS1100主要应用在空间和功耗方面要求比较严格的高分辨率采样测量电路中，其典型应用包括便携设备、工业过程控制和智能发射机等。

ADS1100的主要特点如下：

16位无丢码；
8个地址范围；
有连续自校准功能；

单周期转换；
内部带有系统时钟；
具有I2C接口；

精度：0.0125％（FSR MAX）；
可编程增益放大器的增益可在1、2、4或8中进行选择；
低噪声：4μVp－p；
可编程数据采样速率：8SPS－128SPS；
电源电压为2.7－5.5V；
电流损耗可低至90μA。
ADS1100以其独特的精度特性可广泛应用便携设备、工业过程控制器、智能发射器、消费类产品、工厂自动化设备和温度测量等系统之中。

ADS1100的极限参数，引脚功能和内部结构

为了保证器件的使用可靠性，在设计时，建议在表1所列条件范围内使用ADS1100芯片，ADS1100的外部引脚图如图1所示，表2是其引脚功能说明。

图2是ADS1100的内部结构图。ADS1100的内部包括ΔΣA/D转换器，可编程增益放大器，时钟发生器和I2C接口四大部分，芯片内部时钟发生器产生的时钟信号可直接送给ΔΣA/D转换核及I2C接口，而无需片外时钟，ΔΣA/D转换核包括差分开关电容ΔΣ转换结构以及其后的数字滤波器。差分模拟信号经PGA到ΔΣA/D转换核转换后可输出二进制编码。

工作原理

上电和复位

ADS1100上电时会自动复位并将控制字寄存器设置成默认值。此外，它也能响应I2C复位指令（全局调用复位指令GENERAL CALL RESET：地址字节是00H接着是数据字节06H），在接收到复位指令后，ADS1100将执行内部复位，此时如果正在转换，则中断，输出寄存器置0，并将控制字寄存器恢复默认值。

ADS1100的I2C地址

ADS1100的I2C地址是1001xxxB，其中"xxx"由厂家设定，ADS1100有8个不同的I2C地址（从000到111）。根据I2C的不同地址可分为8个独立器件，其各自封装的打标字样（在芯片的顶部）如表3所列。

输出编码

输出编码是一个和输出电压成正比例的数，并与位数相关，而位数又与转换速率有关，它们的对应如表4所列。

对于给定的最小编码、PGA增益设置，正负输入端电压VIN＋和VIN－、以及电源电压来说，输出编码可由表达式（1）给出，由于ADS1100集成了自校准系统且具有自校准功能，故可以补偿增益和失调所引起的误差，因此该表达式不必考虑这些参数。

输出编码＝－1×最小编码×PGA×

(1)

如转换速率是16SPS，PGA＝2，那么：

输出编码＝16384×2×

注意，最大输出编码和最小输出编码的绝对值是不同的，位数为n的最大编码是2n－1－1，最小编码是－1·2n－1，另外，表5给出了不同输入电平所对应的输出编码。

寄存器

ADS1100有两个寄存器，输出寄存器和控制字寄存器，输出寄存器用于存放最后一次的转换结果，控制字寄存器则可以改变ADS1100的操作模式和进行状态查询。

（1）输出寄存器

16位的输出寄存器存储的是以二进制补码表示的最后一次的转换结果，在ADS1100复位或上电之后，输出寄存器清零，输出寄存器的格式如表6所示。

（2）控制字寄存器
8位控制字寄存器用于控制ADS1100的工作模式，转换速率和PGA设置，控制字寄存器的格式如表7所列，默认值是8CH。现将各位说明如下：

位7（ST/BSY）：在单次转换模式下，向ST/BSY写入1可使一次开始，写入0无影响，在连续转换模式下，ADS1100忽略写入ST/BSY的值。

另外，在单次转换模式下，如果ST/BSY读到了1值，表明A/D转换器正忙，即正在转换中；如果是0，则表明当前没有转换工作，输出寄存器保存的是最后一次的转换结果，在连续模式下，ST/BSY总是读到1。

位6－5：保留字。使用时必须设置成0。

位4（SC）：用于控制ADS1100是连续转换模式还是单次转换模式，当SC为1时，ADS1100是单次转换模式（Single Conversion），为0则为连续转换模式，该位的默认值是0。位3－2（DR）；用于控制ADS1100的转换速率，见表8所列。

位1－0（PGA）：用于ADS1100的增益设置，设置方法见表9所列。

工作模式
ADS1100有两种工作模式：连续转换模式和单次转换模式，连续转换模式下，当一次转换结束后，ADS1100将结果放入输出寄存器并立刻开始下一次转换，ST/BSY位在控制字寄存器中始终读到的是1。
如果是单次转换模式，则在ST/BSY位被置1后，ADS1100上电并执行一次转换，转换结束后，ADS1100会把结果放入输出寄存器，并复位ST/BSY成0，关断电源。在转换中，ST/BSY置1无效，如果要从连续模式切换到单次模式，ADS1100可在执行完当前转换后ST/BSY置0，然后断电。
读/写操作
ADS1100的输出寄存器和控制字寄存器的内容是可读的。要读ADS1100，可将其设为读状态（7位的ADS1100地址后加1位高电平有效的读信号，高位在前，如ADS1100A0则是10010001），以读取三个字节的内容，其中前两个字节是输出寄存器的内容（高位在前），第三个字节是控制字寄存器的内容（高位在前，从第四个字节开始起均为FFH。如果只想知道输出寄存器的内容是否合理，可仅读取前两个字节而忽略其后的字节。
ADS1100的输出寄存器是只读的，只能向控制字寄存器写内容，写的方法是将ADS1100设置为写（在ADS1100地址后加1位低电平有效的写信号，高位在前），然后写入一个字节（高位在前）。ADS1100忽略在第一个字节以后的内容。
应用实例
下面给出ADS1100的一些具体应用电路。
基本连接
ADS1100的基本连线电路如图3所示，因为ADS1100的输入只能接受正电压，因此两个模拟量输入端都接正电压，由于ADS1100在转换时会从电源拉电流而产生短暂的尖脉冲，因此要在电源端加旁路电容，因此，由于SDA和SCL端是漏极开路结构，故也需要接上拉电阻。

多个ADS1100连接电路
图4是三个ADS1100连接到单一总线的例子。注意，每个总线只需要一组上拉电阻，这时上拉电阻的阻值可以忽略减小一点。

单端输入

虽然ADS1100是全差分输入结构，但它也能采样测量单端信号如表5所示，ADS1100配置成单端输入采样测量方式就是两个输入端的其中一个接地，通常选择VIN－，将输出信号连到VIN＋。单端信号的极限范围从－0.2V到VDD＋0.3V。

基于ADS1100的惠斯通电桥

ADS1100有全差分高阻抗输入级和内部增益电路，可以很好的用于电桥采样测量电路中如图6所示。

设计建议

如果ADS1100的前级别是运放，并且该运放的电源电压又比较高时（例如12V）要考虑运放的上电非线性特点，即在上电后到稳定时有电源电压大小的尖脉冲输出。因为ADS1100的模拟量输入端所能承受的瞬时电流最大为100mA，在输入端加限流电阻可以防止过电压对芯片的损害。ADS1100的参考电压是电源电压，因此只有电源电压足够干净才能满足设计要求，电源滤波电容要紧靠VDD，连线要尽可能粗，中间不要有过孔，输入信号的频率不要超过转换速率的一半，以避免产生串扰。虽然在ADS1100片内有数字滤波器能衰减一些高频噪声，但是有的时候还是需要使用片外的RC滤波器，在设计该RC滤波器时，要考虑ADS1100的输入阻抗对该滤波网络的影响。由于ADS1100是静电敏感器件，因此，要特别注意在拿取和焊接时采取防静电措施。

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