多通道24位工業(yè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作原理、性能特點與應(yīng)用

1、 概述

ADS1274／ADS1278是德州儀器（TI）推出的多通道24位工業(yè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），內(nèi)部集成有多個獨立的高階斬波穩(wěn)定調(diào)制器和FIR數(shù)字濾波器，可實現(xiàn)4／8通道同步采樣，支持高速、高精度、低功耗、低速4種工作模式；ADS1274／ADS1278具有優(yōu)良的AC和DC特性，采樣率最高可以達(dá)128 Ks／s，62 kHz帶寬時信噪比（SNR）可達(dá)111 dB，失調(diào)漂移為0.8μV／℃。

ADS1274／ADS1278可通過設(shè)置相應(yīng)的輸入／輸出引腳選擇工作模式，無需寄存器編程，其數(shù)據(jù)輸出可選幀同步或SPI串行接口，便于連接至DSP、FPGA及微控制器。每個接口均支持菊花鏈，簡化多通道計數(shù)系統(tǒng)中的多個ADS1274或ADS1278的回讀功能（readback）。ADS1274工作溫度范圍為-40℃～+125℃，ADS1278則為-40℃～+105℃，可滿足要求嚴(yán)格的多通道信號采集應(yīng)用，包括振動分析、醫(yī)療監(jiān)控、聲學(xué)／動態(tài)應(yīng)變測量及壓力測量設(shè)備等。

2、 性能特點

傳統(tǒng)的具有較高漂移性能的工業(yè)△-∑ADC采用導(dǎo)通帶寬滑落幅度很大的數(shù)字濾波器，來得盡可能滿足DC測量需求的有限信號帶寬。針對音頻應(yīng)用的高分辨率ADC能夠提供更大的可用帶寬，但偏移與漂移規(guī)范遠(yuǎn)低于工業(yè)ADC。ADS1274／ADS1278將兩種類型的轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，實現(xiàn)最佳DC與AC規(guī)范的高精度工業(yè)測量。具體特點如下：

允許4／8通道同步采樣；

采樣率最高可達(dá)128 Ks／s；

AC性能：工作在高精度模式下，輸入信號帶寬為62 kHz時，SNR為111 dB，總諧波失真（THD）為-108 dB；

DC性能：0.8μV／℃失調(diào)漂移，1.3 ppm／℃增益漂移；

4種可選工作模式：高速模式為128 Ks／s，信噪比106 dB；高精度模式為52 Ks／s，信噪比111 dB；低功耗模式為52 ks／s，31 mW／通道；而低速模式為10 ks／s，7 mW／通道；

片上線性相位數(shù)字濾波器；

SPI或幀同步串行接口；

低采樣孔徑誤差；

調(diào)制器輸出選擇。

3、 引腳功能說明

ADS1274／1278均采用64引腳HTQFP封裝，兩者引腳兼容以便于擴(kuò)展，引腳功能說明如表1所示。

4 、功能描述

4.1 工作原理

ADS1274／ADS1278是△-∑型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，兩者除內(nèi)部所含模／數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）數(shù)目不同外，功能完全相同。它們主要由4／8個獨立的ADC并行實現(xiàn)4／8通道輸入信號的數(shù)字化，每個ADC由先進(jìn)的6階斬波、△-∑調(diào)制器，后接低紋波、線性相位的有限沖積響應(yīng)（FIR）數(shù)字濾波器構(gòu)成。調(diào)制器檢測差分輸入信號VIN=（AINP-AINN），并與差分參考電壓VREF=（VREFP-VREFN）相比較得到一個1秒密度的位流輸出，輸出的位流經(jīng)內(nèi)部的數(shù)字濾波器濾波后得到一個低噪聲的數(shù)字輸出。

工作時調(diào)制器以高速采樣輸入信號（典型值輸出數(shù)據(jù)率的64倍），調(diào)制器產(chǎn)生的量化噪聲被移人高頻帶，由其內(nèi)部的數(shù)字濾波器濾除，調(diào)制器的過采樣倍率與工作模式有關(guān)，分別可取64（高速、低速、低功耗模式）或128（高精度模式），數(shù)字濾波器可對截止頻率外的信號衰減達(dá)100 dB，使信號導(dǎo)通帶寬在90％的奈奎斯特頻率時，紋波低于0.005 dB。

4.2 工作模式設(shè)置

ADS1274／ADS1278允許在速度、精度、功耗方面權(quán)衡從4種工作模式中選擇一種，各種工作模式下的性能如表2所示，而模式選擇是由MODE［1：0］引腳的輸入狀態(tài)確定。

4.3 數(shù)據(jù)輸出接口

ADS1274／ADS1278轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸出采用串行接口，可采用兩種接口協(xié)議：SPI協(xié)議和幀同步協(xié)議，同時也可選擇不同的數(shù)據(jù)輸出格式，協(xié)議和數(shù)據(jù)輸出格式的選擇是由FORFMAT［2：0］引腳的輸入狀態(tài)確定。

對應(yīng)SPI和幀同步接口協(xié)議，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)或通過獨立的DOUT引腳以并行數(shù)據(jù)形式（離散模式）移位輸出或通過一個共同的引腳DOUT1（TDM模式）移位輸出。

在TDM數(shù)據(jù)輸出模式中，多通道輸出數(shù)據(jù)的位置有兩種選擇，即位置固定和位置動態(tài)分配。位置固定時，每個通道輸出數(shù)據(jù)的位置嚴(yán)格按照順序輸出（即使某些通道掉電，也占有一個輸出位置），動態(tài)分配時多通道輸出數(shù)據(jù)的位置可根據(jù)通道使用情況隨機(jī)調(diào)整，后續(xù)通道數(shù)據(jù)可占有前面掉電不用通道數(shù)據(jù)的位置，圖2和圖3描述了TDM模式時，固定位置和動態(tài)位置時的數(shù)據(jù)輸出形式，表3列出接口協(xié)議、輸出格式和數(shù)據(jù)位置關(guān)系。

5、 應(yīng)用接口電路

5.1 基本差分輸入信號接口電路

基本差分輸入信號接口電路如圖4所示，采用運(yùn)算放大器OPA1632和RC構(gòu)成的低通濾波器對輸入信號進(jìn)行調(diào)理，其中VCOM端可直接連接至ADC的VCOM引腳，也可通過OPA350緩沖輸出，12 V電源可采用10μF和0.1μF的電容旁路，對于電容（2），當(dāng)工作在低功耗模式時可選用2.7 nF的電容，在低速模式時則選用15 nF的電容。

5.2 ADS1724與TMS320的接口電路

圖5給出了ASD1274與TMS320VC5509的接口電路，ADS1274與TMS320VC5509之間采用幀同步串行接口，CLKDIV接3.3 V，采樣主時鐘頻率為27 MHz，四路模擬輸入信號可采用圖4所示的連接接入AINP和AINN。

6 、結(jié)束語

ADS1274／1278是基于△-∑技術(shù)的24位高性能工業(yè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部集成有多個獨立的高階斬波穩(wěn)定調(diào)制器和FIR數(shù)字濾波器，具有優(yōu)良的AC和DC性能，可實現(xiàn)4／8通道同步采樣，支持高速、高精度、低功耗、低速4種工作模式；數(shù)據(jù)輸出可選幀同步或SPI串行接口，每個接口均支持菊花鏈連接，可應(yīng)用于要求嚴(yán)格的多通道信號采集系統(tǒng)，如振動分析、醫(yī)療監(jiān)控、動態(tài)應(yīng)變測量設(shè)備等。

責(zé)任編輯：gt