ADS1220 — 24-битный дельта-сигма АЦП TI с усилителем и опорным

Выводы

Корпус TSSOP-16 описан в даташите чертежом PW0016A (4220204/B): 4,9–5,1 × 4,3–4,5 мм, шаг 0,65 мм. Чертежа VQFN-16 (RVA) в ревизии D нет, хотя корпус есть в таблице корпусов и в списке заказных номеров. Неиспользуемые аналоговые входы TI советует оставлять свободными или соединять с серединой питания или AVDD, но AIN3/REFN1 — только свободным: через внутренний ключ он может замкнуться на AVSS. Цифровые входы свободными не оставляют (разд. 9.1.5).

Параметры

Условия — AVDD = DVDD = 3,3 В, AVSS = 0 В, усилитель включён, 20 выборок/с, внешнее опорное 2,5 В, −40…+125 °C (табл. 6.5), если не указано иное.

Предельные режимы (с. 5): AVDD − AVSS и DVDD до 7 В, AVSS относительно DGND −2,8…+0,3 В, аналоговые входы от AVSS − 0,3 В до AVDD + 0,3 В, ток любого вывода ±10 мА; ESD ±2000 В по модели тела человека и ±500 В по CDM. Тепловое сопротивление кристалл — среда — 99,5 °C/Вт в TSSOP-16 и 43,4 °C/Вт в VQFN-16. Сноска к табл. 6.5: внешнее опорное добавляет к току AVDD 70 мкА, включённые источники тока — 190 мкА без учёта самого выходного тока.

Наш расчёт: в экономичном режиме с выключенным усилителем 65 мкА (AVDD) + 55 мкА (DVDD) = 120 мкА — это и есть «от 120 мкА» из свойств на с. 1.

Усилитель и синфазное напряжение

Усиление собирается из двух ступеней (табл. 8-1): сам PGA даёт 1–32, ещё 1–4 — ступень на переключаемых конденсаторах перед модулятором. Шкала — ±V_REF / усиление: с внутренним опорным от ±2,048 В при усилении 1 до ±16 мВ при 128 (табл. 8-2). Шаг кода — 2 · V_REF / усиление / 2²⁴ (уравнение 15); наш расчёт для 128 и 2,048 В — около 1,9 нВ. Реальный предел задаёт шум, а не шаг: см. раздел о шуме ниже.

Выходы усилителя не подходят к шинам питания ближе 0,2 В. Отсюда три условия на синфазное напряжение входа V_CM = (AINP + AINN) / 2 при включённом PGA (уравнения 12–14):

• V_CM ≥ AVSS + 0,2 В + ½ · усиление · V_{IN max};
• V_CM ≤ AVDD − 0,2 В − ½ · усиление · V_{IN max};
• V_CM ≥ AVSS + ¼ · (AVDD − AVSS).

Наш расчёт для моста 3 мВ/В с питанием 3,3 В от того же источника, что и АЦП, и усиления 128: сигнал до 9,9 мВ, усиленный — 1,27 В; нижняя граница V_CM — max(0,2 + 0,63; 0,83) ≈ 0,83 В, верхняя — 3,3 − 0,2 − 0,63 ≈ 2,47 В. Симметричный мост даёт V_CM = 1,65 В, это в пределах. Наибольший сигнал при усилении 128 и AVDD = 3,3 В — (3,3 − 0,4) / 128 ≈ 22,7 мВ: полная шкала ±V_REF / 128 в такой схеме не используется целиком, о чём прямо пишет разд. 9.2.3.

При усилении 1, 2 и 4 усилитель можно выключить битом PGA_BYPASS — тогда ограничения V_CM снимаются, вход допускает от AVSS − 0,1 В до AVDD + 0,1 В, а ток потребления падает. Сигнал относительно AVSS (режимы мультиплексора 1000b–1011b) измеряется только так. Поэтому в типовой схеме с термопарой (разд. 9.2.1) её поднимают к середине питания AVDD / 2 двумя резисторами смещения по 1–50 МОм — один к AVDD, другой к AVSS; при обрыве термопары они же уводят входы к шинам, и АЦП показывает полную шкалу. Если термопара должна быть соединена с землёй, TI предлагает двуполярное питание ±2,5 В или выключенный усилитель.

Регистры и команды

Регистров настройки четыре, все по умолчанию 00h (табл. 8-8):

Команд шесть (табл. 8-7): RESET (0000 011x, то есть 06h), START/SYNC (08h), POWERDOWN (02h), RDATA (10h), RREG (0010 rrnn) и WREG (0100 rrnn), где x — любой бит, rr — номер первого регистра, nn — число байтов минус один. После RESET нужно подождать 50 мкс + 32 периода тактовой частоты. Результат — 24 бита в дополнительном коде, старшим байтом вперёд: 7FFFFFh — плюс шкала, 800000h — минус шкала. В режиме однократного запуска (по умолчанию) каждое преобразование начинает команда START/SYNC или любая запись в регистр.

Пример даташита для тензомоста (табл. 9-6): 00h = 3Eh (AIN1 − AIN2, усиление 128), 01h = 04h (20 выборок/с, непрерывно), 02h = 98h (опорное с AIN0/REFP1 и AIN3/REFN1, подавление 50 и 60 Гц, ключ включён), 03h = 00h. Мы проверили по таблицам полей: 0011 111 0b = 3Eh, 000 00 1 0 0b = 04h, 10 01 1 000b = 98h.

Скорость и шум

Значения — при внутреннем генераторе или внешнем 4,096 МГц; с другой частотой скорости и провалы фильтра сдвигаются пропорционально. Цифровой фильтр устанавливается за одно преобразование, поэтому после переключения входа первый же результат верен. При 20 выборках/с время преобразования — 204 768 периодов тактовой частоты (табл. 8-4), наш расчёт — 49,99 мс.

Эффективное разрешение по таблице 7-2 (внутреннее опорное, обычный режим): 20,08 бита при усилении 1 и 20 выборках/с, 18,49 бита при усилении 128; при 1000 выборках/с — 16,74 и 15,49. Разрешение без шума, посчитанное по размаху, во всех клетках той же таблицы меньше на 1,7–2,8 бита (наш расчёт по разности). Как связаны эти числа, объясняет статья «Эффективное число разрядов».

Пример даташита (разд. 9.2.3): датчик веса 1 кг, 3 мВ/В, возбуждение 5 В — сигнал 15 мВ; при усилении 128 и 20 выборках/с размах шума 0,41 мкВ, повторяемость (1 кг / 15 мВ) · 0,41 мкВ ≈ 27 мг. Для такой схемы мост питают от того же напряжения, что служит опорным, — это логометрическое измерение: дрейф питания моста не попадает в результат.

ADS1220, ADS1115 и HX711

Наш вывод: для милливольтовых сигналов ADS1115 слишком груб — его наименьшая шкала ±0,256 В, а 16 бит дают шаг 7,8 мкВ. HX711 проще всего подключить к весам, но его режимы зашиты. ADS1220 стоит дороже и требует внимания к синфазному напряжению, зато настраивается под любой мостовой и температурный датчик и подавляет сетевую помеху.

Расхождения в документации

• Корпус VQFN-16. Таблица корпусов на с. 1, табл. 5-1 и список заказных номеров дают корпус RVA, а раздел механических данных ревизии D содержит только чертёж PW0016A; размеров RVA в даташите нет.
• «Разрешение без шума» в микровольтах. Разд. 9.2.3 называет 0,41 мкВ размаха «noise-free resolution»; в разд. 7.1 так называется величина в битах, а 0,41 мкВ — размах шума из табл. 7-1. Кроме того, число взято для внутреннего опорного 2,048 В, а пример работает с опорным от моста 5 В.
• Тайм-аут SPI. В ревизии D значения изменены с 13 955 и 27 910 на 14 000 и 28 000 периодов модулятора; в старых копиях даташита стоят прежние числа.
• Предельное значение V_REF. До ревизии D верхний предел опорного в рекомендуемых условиях был AVDD, теперь — AVDD − AVSS: при двуполярном питании это разные числа.