Перейти к содержанию

ADS1256 — 24-битный дельта-сигма АЦП на 8 каналов с SPI

ADS1256 — 24-битный дельта-сигма АЦП Texas Instruments на восемь несимметричных или четыре дифференциальных входа, с усилителем 1–64, буфером и скоростью до 30 000 выборок в секунду. Карточка по даташиту SBAS288K: выводы, таблица шума, опорное и тактирование, калибровка и ошибки, из-за которых 24 бита превращаются в 16.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

ADS1256 — дельта-сигма АЦП Texas Instruments с разрешением 24 бита, восемью входами и скоростью до 30 000 выборок в секунду. Модулятор четвёртого порядка, программируемый фильтр, малошумящий усилитель 1–64, входной буфер, детектор обрыва датчика и калибровка — всё в корпусе SSOP-28; младший ADS1255 в SSOP-20 имеет два входа вместо восьми. Сюда ставят тензомосты весов, мостовые датчики давления и многоканальные измерители, когда ADS1220 не хватает по скорости, а ADS1115 — по битам.

Коротко

  • Разрешение — 24 бита без пропуска кодов; до 23 бит без шума на 2,5 выборках/с, 17 бит на 30 000.
  • Скорость — 16 ступеней от 2,5 до 30 000 выборок/с при такте 7,68 МГц.
  • Входы — 8 несимметричных или 4 дифференциальных; PGA 1–64; шкала ±2 · VREF / PGA — от ±5 В до ±78 мВ при 2,5 В.
  • Опорное — только внешнее, 0,5–2,6 В (2,5 В типично), входное сопротивление 18,5 кОм.
  • Питание — AVDD 4,75–5,25 В, DVDD 1,8–3,6 В; 7 мА (PGA = 1, буфер выключен) … 36 мА (PGA = 64, буфер включён).
  • Интерфейс — SPI с 5-вольтовыми входами, выход DRDY; −40…+85 °C по характеристикам, работа до +105 °C.

Выводы

ADS1256 SSOP-28, вид сверху: 1 AVDD, 2 AGND, 3 VREFN, 4 VREFP, 5 AINCOM, 6 AIN0, 7 AIN1, 8 AIN2, 9 AIN3, 10 AIN4, 11 AIN5, 12 AIN6, 13 AIN7, 14 SYNC/PDWN, 15 RESET, 16 DVDD, 17 DGND, 18 XTAL2, 19 XTAL1/CLKIN, 20 CS, 21 DRDY, 22 DOUT, 23 DIN, 24 SCLK, 25 D0/CLKOUT, 26 D1, 27 D2, 28 D3ADS12561AVDD2AGND3VREFN4VREFP5AINCOM6AIN07AIN18AIN29AIN310AIN411AIN512AIN613AIN714/SYNC15/RESET16DVDD17DGND18XTAL219XTAL120/CS21/DRDY22DOUT23DIN24SCLK25D0/CLK26D127D228D3вид сверху
ADS1256 в корпусе SSOP-28, вид сверху (Terminal Functions даташита): выводы 1–13 аналоговые, 14–28 цифровые

AINCOM — общий вывод для несимметричного включения; мультиплексор соединяет любой вывод с любым из двух входов модулятора. Неиспользуемые RESET и SYNC/PDWN подключают к DVDD, XTAL2 при внешнем тактовом сигнале оставляют свободным. D0/CLKOUT после сброса работает выходом тактовой частоты — если не нужен, его выключают в регистре ADCON. Габариты — на странице «SSOP-28».

Характеристики

Условия даташита: −40…+85 °C, AVDD = 5 В, DVDD = 1,8 В, fCLKIN = 7,68 МГц, PGA = 1, VREF = 2,5 В.

ПараметрУсловияМин.Тип.Макс.
Напряжение на входе относительно AGNDбуфер выключен / включёнAGND − 0,1 В / AGNDAVDD + 0,1 В / AVDD − 2,0 В
Входное сопротивление, дифф.буфер выключен, PGA 1–16 / 32–64150 / PGA кОм / 4,7 кОм
буфер включён, до 50 выборок/с80 МОм
Интегральная нелинейностьдифф. вход, PGA = 1±0,0003 %±0,0010 % шкалы
Дрейф смещения / усиленияPGA = 1±100 нВ/°C / ±0,8 ppm/°C
Опорное VREFVREFP − VREFN0,5 В2,5 В2,6 В
Тактовая частотакварц / внешний генератор2 / 0,1 МГц7,68 МГц10 МГц
Ток AVDDPGA = 1, буфер выкл. / PGA = 64, буфер вкл.7 / 36 мА10 / 50 мА
Ток DVDD3,3 В, CLKOUT выкл.0,9 мА2 мА

Предельные значения: AVDD до 6 В, DVDD до 3,6 В, аналоговые входы от −0,3 до AVDD + 0,3 В; входы DIN, SCLK, CS, RESET, SYNC/PDWN и CLKIN — до 6 В (рабочий уровень единицы — до 5,25 В).

Шум и скорость

Выдержки из таблиц 1 и 3 (буфер включён, 25 °C, входы замкнуты):

Выборок/сШум, мкВ (скз), PGA = 1Бит без шума, PGA = 1Шум, мкВ (скз), PGA = 64Бит без шума, PGA = 64
2,50,24723,00,03319,7
500,62921,30,12217,9
10002,93119,00,48615,6
75007,24917,71,18714,4
30 00010,72817,11,74213,8

ENOB в таблице 2 TI считает как ln(FSR / шум скз) / ln 2 при FSR = 10 В, поэтому он доходит до 25,3 — это не ENOB по SINAD. Полезнее «бит без шума» по размаху: на 30 000 выборках/с от 24 бит остаётся 17, на 2,5 — 23. Усиление 64 снижает шум в вольтах в 7,5 раза, но шкалу сужает в 64 раза.

Скорость равна fCLKIN / 256 / N, где N — число усреднений фильтра от 1 до 12 000 (табл. 11); на 60, 30, 15, 10, 5 и 2,5 выборках/с нуль фильтра попадает на 60 Гц, на 50, 25, 10, 5 и 2,5 — на 50 Гц (наш вывод). При опросе нескольких каналов каждая смена входа требует установления фильтра: на 30 000 выборках/с получается 4374 установившихся отсчёта в секунду на все каналы вместе, на 1000 — 837.

Подключение

По рисунку 25 и разделу Applications Information:

  • Питание и опорное. AVDD 5 В и DVDD 1,8–3,6 В с 0,1 и 10 мкФ у выводов, общий полигон земли для AGND и DGND. 2,5 В на VREFP с конденсаторами с малым ESR; делитель или слабый источник — через буфер на OPA350 (рис. 26), готовый вариант — REF5025.
  • Входы. На каждом канале простой RC-фильтр вплотную к выводам против шума около частоты модулятора fCLKIN / 4.
  • Тактирование. Кварц 7,68 МГц с конденсаторами 5–20 пФ (на рисунке 25 — 18 пФ) или генератор на CLKIN; ёмкости — калькулятор конденсаторов кварца.
  • SPI. Резисторы около 100 Ом в линиях гасят звон. Период SCLK не короче 4 тактов — при 7,68 МГц не быстрее 1,92 МГц (наш расчёт); между командой чтения и ответом — 50 тактов (6,5 мкс). По рисунку 1 DIN защёлкивается по спаду SCLK, DOUT меняется по фронту — режим CPOL = 0, CPHA = 1 (наш вывод); кадр удобно проверить в конструкторе кадра SPI. Результат — 24 бита в дополнительном коде, младший разряд 2 · VREF / (PGA · (223 − 1)) = 0,596 мкВ при 2,5 В и PGA = 1 (наш расчёт).

Калибровка и детектор датчика

SELFOCAL и SELFGCAL — самокалибровка смещения и усиления по внутренним сигналам, SELFCAL — обе подряд, SYSOCAL и SYSGCAL — системная калибровка по нулю и полной шкале, которые подаёт пользователь; результаты лежат в регистрах OFC и FSC. После сброса и включения самокалибровка выполняется автоматически; при смене скорости она обязательна, при смене PGA и буфера — рекомендована (калибровка АЦП). Источники тока детектора обрыва (0,5, 2 или 10 мкА, биты SDCS) текут через датчик: обрыв даёт полную шкалу, замыкание — I · 50 Ом внутренних резисторов; буфер при этом включается принудительно.

Ошибки применения

  • Высокоомный источник без буфера. Эффективное входное сопротивление 260 кОм при PGA = 1 и 8 кОм при PGA = 32–64 (табл. 10); делитель на десятки килоом даёт проценты ошибки, и SELFGCAL её не видит. Включайте буфер или ставьте операционный усилитель.
  • Буфер и диапазон входа. С буфером входы должны лежать от AGND до AVDD − 2,0 В — при 5 В это 0…3 В.
  • Слабое опорное. Его шум и дрейф ограничивают АЦП раньше собственного шума 0,25 мкВ; делитель от 5 В — не опорное.
  • Кварц 8 МГц вместо 7,68. Микросхема работает, но все скорости и времена масштабируются: «30 000 выборок/с» становятся 31 250 (наш расчёт). Данные после смены канала и калибровки готовы только после спада DRDY.

Сравнение с ADS1220 и ADS1115

ADS1220 — 24 бита, 5–2000 выборок/с (по таблице Electrical Characteristics его даташита SBAS501D: 20–1000 в обычном режиме, 5–250 в режиме с паузами, 40–2000 в турбо), 2 дифференциальных или 4 несимметричных входа, PGA 1–128, внутреннее опорное 2,048 В с дрейфом 5 ppm/°C и два источника тока возбуждения 10 мкА – 1,5 мА, питание 2,3–5,5 В: удобнее для одиночного термосопротивления или термопары. ADS1115 — 16 бит, до 860 выборок/с, I²C. ADS1256 берут, когда каналов много, нужны тысячи выборок в секунду при 17–20 битах или 23 бита на медленных сигналах, и есть опорное 2,5 В с питанием 5 В. Другие микросхемы — в разделе «АЦП», протокол обмена — в статье «Интерфейс SPI».

Частые вопросы

Нужно ли ADS1256 внешнее опорное напряжение?

Да, встроенного источника у него нет: между VREFP и VREFN подают 0,5–2,6 В, типично 2,5 В, и шкала равна ±2 · VREF / PGA. Вход опорного — переключаемый конденсатор с эффективным сопротивлением 18,5 кОм при такте 7,68 МГц, поэтому TI требует источник с низким шумом и дрейфом, способный такую нагрузку держать, а для слабых источников и делителей даёт схему буфера на OPA350 (рис. 26). Подходит, например, REF5025.

Можно ли подключить ADS1256 к Arduino на 5 В без преобразователя уровней?

Входы DIN, SCLK, CS, RESET, SYNC/PDWN и CLKIN выдерживают до 5,25 В при любом DVDD, так что команды от 5-вольтового микроконтроллера принимаются напрямую. Обратно — DOUT и DRDY выдают уровни DVDD: единица не ниже 0,8 · DVDD, при DVDD = 3,3 В это 2,64 В (наш расчёт); хватит ли этого входу 5-вольтового микроконтроллера, проверяют по его порогу VIH, иначе нужен преобразователь уровней. Выводы D0–D3 к 5 В не терпимы: не выше DVDD + 0,3 В.

Почему ADS1256 показывает ошибку усиления с датчиком высокого сопротивления?

При выключенном буфере вход — переключаемый конденсатор: эффективное сопротивление 260 кОм при PGA = 1 и всего 8 кОм при PGA = 32 и 64 (табл. 10). Датчик с сопротивлением 10 кОм на PGA = 1 даст ошибку масштаба около 4 % (наш расчёт по делителю 10 / 270). Включите буфер (бит BUFEN): сопротивление вырастет до 80 МОм при скоростях до 50 выборок/с, но входы при этом должны оставаться в пределах от AGND до AVDD − 2,0 В, то есть до 3 В при питании 5 В.

Когда ADS1256 нужно калибровать?

После включения и после сброса микросхема сама выполняет самокалибровку, но TI настоятельно советует повторить команду SELFCAL, когда питание и опорное установятся. Калибровка обязательна при смене скорости данных и рекомендована при смене PGA и буфера. Длится она от 0,6 мс на 30 000 выборках/с до 1,23 с на 2,5 выборках/с (табл. 21); выбрасывать данные после неё не нужно — DRDY поднимается на время калибровки и опускается с готовым результатом.

Источники

  1. Texas Instruments. ADS1255, ADS1256: Very Low Noise, 24-Bit Analog-to-Digital Converter (SBAS288K, June 2003, revised September 2013) — Absolute Maximum Ratings; Electrical Characteristics — AVDD 4,75–5,25 В, DVDD 1,8–3,6 В, VREF 0,5–2,6 В, токи, нелинейность, дрейфы; Pin Assignments и Terminal Functions — выводы SSOP-28; табл. 1–6 — шум, ENOB и биты без шума при 7,68 МГц; табл. 7 и 10 — входное сопротивление с буфером и без; табл. 8 — шкала от PGA; табл. 11 — скорости и усреднение; табл. 17 — кварцы; табл. 21 — время самокалибровки; Cycling Throughput — опрос каналов; Applications Information, рис. 25–26 — обвязка и буфер опорного
  2. Texas Instruments. ADS1220 4-Channel, 2kSPS, Low-Power, 24-Bit ADC With Integrated PGA and Reference (SBAS501D, May 2013, revised May 2026) — разд. 1 Features — PGA 1–128, до 2000 выборок/с, до 20 эффективных бит, 2 дифференциальных или 4 несимметричных входа, источники тока 10 мкА – 1,5 мА, внутреннее опорное 2,048 В с дрейфом 5 ppm/°C; разд. 6.3 Recommended Operating Conditions — AVDD 2,3–5,5 В, внешнее опорное 0,75 В…AVDD; разд. 6.5 Electrical Characteristics — скорости 20–1000 выборок/с в обычном режиме, 5–250 в режиме с паузами, 40–2000 в турбо; для раздела сравнения
Страница помогла?

Нашли ошибку? ·

Смотрите также