TI常见的模数转换器芯片详解(一):ADS1298 - 全文

TI发布的ADS129x系列器件提供完整集成的模拟前端（AFE）功能，可用于病人监护、便携式和高端心电图（ECG）及脑电图（EEG）设备。开发这种集成电路的工程师队伍必须平衡一些极具挑战性的设计目标：每通道功耗小于750uW，噪声符合IEC的ECG标准（10uVp-p输入），尺寸为8mmx8mm，以便支持便携式和一次性ECG贴片应用，以及低成本。ADS1298就是ADS129x系列器件中的一员，

ADS1298模数转换器介绍

ADS1298是（ACTIVE） 具有集成 ECG 前端的 8 通道 24 位模数转换器，主要用于心电图 （ECG）监控中。

ADS1294/6/8/4R/6R/8R是多通道，同步采样，24位，三角积分（ΔΣ）模数转换器（ADC）系列产品，此产品具有内置的可编程增益放大器（PGA），内部基准，和一个板载振荡器。 ADS1294/6/8/4R/6R/8R包含了所有医疗心电图（ECG）和脑电图（EEG）应用所通常要求的所有特性。

借助于其高水平的集成和出色的性能，ADS1294/6/8/4R/6R/8R系列产品可以用大大减小的尺寸，功率，和总体成本来开发可扩展的医疗仪器。

ADS1294/6/8/4R/6R/8R在每通道上有一个灵活输入复用器，此复用器可独立连接至用于测试，温度，和持续断线检测的内部生成信号。 此外，可选择输入通道的各种配置生成右腿驱动器 （RLD） 输出信号。 ADS1294/6/8/4R/6R/8R运行数据速率最高可达32KSPS，因此可实现软件PACE检测。 可通过上拉／下拉电阻器或激磁电流源极／汲极为该器件内部实施持续断线检测。 3个集成的放大器生成标准12引线ECG所需的威尔逊（Wilson）中心终端（WCT）和高德伯格（Goldberger）中心终端（GCT）。 ADS1294R/6R/8R版本包括一个完全集成的，呼吸阻抗测量功能。

多个ADS1294/6/8/4R/6R/8R器件可使用菊花链配置级联在高通道数量系统中。

封装选项包括微小型 8mm × 8mm ，64焊球 BGA与TQFP-64封装。 ADS1294/6/8 BGA版本商用额定温度范围为0°C至+70°C。 ADS1294R/6R/8R BGA和ADS1294/6/8 TQFP版本工业用额定温度范围是–40°C至+85°C。

特性

8个低噪音PGA和8个高分辨率ADC（ADS1298， ADS1298R）

低功耗：每通道 0.75 mW

输入参考噪声：4μVPP（150Hz BW， G = 6）

输入偏置电流：200pA

数据速率：250SPS至32kSPS

CMRR：–115dB

可编程增益：1，2，3，4，6，8或者12

支持AAMI EC11，EC13，IEC60601-1，IEC60601-2-27，和IEC60601-2-51标准

单极或双极电源：

AVDD = 2.7V至5.25V，DVDD = 1.65V至3.6V

内置右腿驱动放大器，检测，WCT，PACE检测，测试信号

集成的呼吸阻抗测量（只适用于ADS1294R/6R/8R）

数字PACE检测功能

内置振荡器与参考

灵活的断电，待机模式

串行外设接口（SPI）- 兼容串口

运行温度范围：

–40°C至+85°C

图1：TI的8通道、24位集成式模拟前端器件ADS1298的平面图。在这个8mmx8mm的裸片上集成了43个独立IC的功能。

再深入一点，图2显示了ADS1298 的SEM横截面。从图中可以看出，ADS1298使用了鲁棒性、高良率的0.35um 4层铝Bi-CMOS工艺。Bi-CMOS工艺和低噪声双极放大器成就了ADS1298的低功耗和低噪声性能。

图2：TI ADS1298芯片的SEM横截面图，图中显示使用了成熟的、高良率且可靠的4层铝0.35um工艺。

TI 的ADS1298 采用 8 个通道的 PGA 以及一个单独的 24 位 Δ-Σ ADC；威尔逊中心终端、功能增强的戈德伯格终端及其放大器，实现了完全标准的 12 导 ECG 集成模拟前端。与分立实施相比，ADS1298 缩减了组件数并降低了高达 95% 的功耗，每通道仅需 1mW 的功效，同时客户还可获得最高级别的诊断准确度 。

ECG 系统功能与发展

ECG 机的基本功能包括 ECG 波形显示（通过 LCD 显示屏或印刷纸媒质显示）、心跳律动指示以及通过按钮控制的简单用户界面。越来越多的 ECG 产品要求具备更多的功能，例如通过便携式媒体存储电子病历、无线/有线传输以及在具有触摸功能的大型 LCD 显示屏上显示 2D/3D 图像。多级诊断功能正在帮助没有受过专门 ECG 培训的医护人员掌握 ECG 模式及某些心脏病的信号指示。在采集并数字化 ECG 信号之后，将发送这些信号以进行显示和分析，其中包括进一步的信号处理。

信号采集挑战：

大的直流偏移和多种干扰信号的出现会导致 ECG 信号的测量面临挑战。典型电极的电压最高可达 300mV。干扰信号包含来自电源的 50/60Hz 干扰、病人活动导致的运动伪影、电外科设备、除颤脉冲、起搏器脉冲及其它监控设备等引起的射频干扰。

ECG 内所需的准确度会随终端设备的变化而有所不同：

标准监控设备需要 0.05-30Hz 之间的频率

诊断设备需要 0.05-1000Hz 之间的频率

可以借助能消除两输入端 AC 线常见噪声的高输入阻抗仪表放大器 （INA） 抵消一些 50Hz/60Hz 共模干扰。为了进一步消除输电线供电噪声，信号凭借放大器通过右腿被反向并向病人驱回。只需少许微电流甚至更少即可实现显著的 CMR 改进并保持在 UL544 限制之内。此外还会使用 50/60Hz 数字陷波滤波器进一步降低干扰。

模拟前端选项：

优化功耗和模拟前端的 PCB 面积对于便携式 ECG 而言非常关键。技术改进后，当前提供了多种前端选项：

使用低分辨率 ADC（需要所有滤波器）

使用高分辨率 ADC（需要较少滤波器）

使用 Σ-Δ ADC（无需滤波器、除 INA 之外的放大器、直流偏移）

使用顺序和同步采样方法。

使用低分辨率（16 位）ADC 时，信号需要被显著增益（增幅通常为 100–200 倍）以达到必要的分辨率。使用高分辨率（24 位）Σ-Δ ADC 时，信号需要 4–5 倍的适度增益。因此可以除去消除直流偏移所需的第二增益级和电路。这将实现面积与成本上的整体缩减。Σ-Δ 方法还将保留信号的整个频率内容，并为数据后期处理提供充分的灵活性。

借助顺序方法，创建 ECG 引线的单个通道可被复用到一个 ADC。这样一来，相邻通道间必然会存在偏移。借助同步采样方法即可将专用 ADC 用于每个通道，因此通道之间不存在前面提及的偏移。

ADS1298应用
下面我们为大家介绍了ADS1298的功能方框图、每路输入复接器方框图、多个器件配置图、ADS1298单电源连接框图、ADS1298双电源连接框图，介绍了ADS1298的应用

图3.ADS1298功能方框图

图4.ADS1298每路输入复接器方框图

a）标准配置 b） DAISY_IN 配置

图5.多个器件配置图

图6.ADS1298单电源连接框图

图7.ADS1298双电源连接框图

ADS1298 设计应用中的常见问题

1、 问：我想使用不带 MMB0 的 ADS1298ECGFE EVM，这是否可能？

答：是的，完全没问题！不过应首先考虑到以下几个方面：

- 电路板电源

ADS1298ECGFE 板的电源来自 10 引脚双排插座 J4。通过 MMB0 连接头 J5，可将 +5V、+3.3V 以及 +1.8V 交付给 ADS1298 板。+5V 供电电压通过稳压器，可为 ADS1298 芯片提供模拟电压。模拟电压轨既可以是 0V 和 +3.3，也可以是 +/-2.5V，具体情况取决于 JP2 和 JP24。可通过 JP28 对 ADS1298 的数字电压轨进行配置。您既能够选择采用 3.3V 供电电源（短 JP28 引脚 2-3），也可以选择 1.8V 供电电压（短 JP28 引脚 1-2）。实际施加的电压不需要直接连接 J4，可施加测试点 TP7（+5V）、TP9（+1.8V）以及 TP10（+3.3V）。接地通过 TP1、TP8、TP11 提供，J4 引脚 5 和 6 以及 J3 引脚 4、10 和 18。

- SPI 接口

SPI 通信需要 SCLK、SOMI 和 SIMO 最少三线接口。ADS1298 属于从系统 （SLAVE） 器件，不能生成串行时钟。SCLK 线路在 J3 引脚 4 上。SIMO 与 SOMI 分别位于 J3 引脚 11 和 13 上。SCLK 应为低，有效数据在下降时钟沿上。这通常被视为 SPI 模式 1。

2、问：ADS1298ECGFE-PDK 板的光绘文件在哪里？

答：以下为采用 TQFP 封装的 ADS1298ECGFE-PDK、ADS1298RECGFE-PDK 以及 ADS1198/1298ECGFE-PDK 的光绘 （Gerber） 文件。

- ADS1298ECGFE-PDK Rev A - BGA 版本

- ADS1198/1298ECGFE-PDK Rev C–TQFP 版本

- ADS1298RECGFE-PDK Rev B – 只有 BGA 版本

3、问：DRDY 输出该如何处理？我的处理器没有 DRDY 输入，因而我不确定该信号应连接到什么地方。

答：ADS1298 的 DRDY 输出旨在作为主机处理器的中断发挥作用。大多数微控制器或数字信号处理器都能在执行外部外设（如 ADS1298 连接到 SPI 端口）计算时提供“中断”功能。代码开发人员可在中断服务例程 （ISR） 中放入一些内容，在控制器进行 ISR 相关任务时准备就绪。对于 ADS1298 来说，可读取相当于 8 个通道的数据和状态字节，也就是存储和处理 9*24 位信息。

4、问：在 ADS1298RECGFE-PDK 上，MSP430G2121 的目的是什么？

答：ADS1298RECGFE-PDK 板上的 MSP430G2121 可对呼吸进行仿真。其通过工厂编程（通过J7）产生 0.1 到 0.5Hz 的方波。频率在 GUI 中可选为 0.1、0.2、0.3（默认）、0.4 或 0.5Hz。该信号通过 JP36 馈送至比较器（U12 引脚 2），而比较器输出则驱动模拟开关 （U11）。如果希望使用自己的信号生成器对呼吸进行仿真，则可向 SMA 连接头 （J6） 施加方波，并将 JP36 上的旁路转移覆盖引脚 2-3。

MSP430 的目的仅限于评估呼吸功能，而不必连接额外的 EVM 测试设备。处理器的任何元素都不必置入 J7。J7 的目的是协助 MSP430G2121 的双线 JTAG （Spy-Bi-Wire） 接口，这也是我们对器件编程并生成上述方波的方法。

5、问：ADS1298 上的 EEPROM 有何作用？它包含哪些数据？

答：ADS1298ECGFE 板上 J3 以南 U16 上的 EEPROM 包含电路板的汇编级相关数据。其包含唯一的汇编部件号和电路板的汇编修订号。最终用户不用担心 EEPROM 中的任何事项，ADS1298ECGFE-PDK 软件不会询问 EEPROM，而且其也不包含运行 GUI 所需的“启动数据”。

6、问：DRDY 输出该如何处理？我的处理器没有 DRDY 输入，因而我不确定该信号应连接到什么地方。

答：ADS1298 的 DRDY 输出旨在作为主机处理器的中断发挥作用。大多数微控制器或数字信号处理器都能在执行外部外设（如 ADS1298 连接到 SPI 端口）计算时提供“中断”功能。代码开发人员可在 ISR 中置入一些内容，在控制器进行 ISR 相关任务时准备就绪。对于 ADS1298 来说，可读取相当于 8 个通道的数据和状态字节，也就是存储和处理 9*24 位信息。

7、问：ADS1298 可用的最高 SCLK 速度是多少？

答：最高的 SCLK 速度取决于所施加的 DVdd 电压。如 DVdd 在 2.7 和 3.6VDC 之间，则最快速 SCLK 为 20MHz（50ns 周期）；如 DVdd 低于 2.7V，则 SCLK 限于 66.6ns 周期，频率约 15MHz。

8、问：ADS1298/ADS1298R 有什么区别？

答：ADS1298 与 ADS1298R 的主要区别在于 ADS1298R 集成了与 CH1 相关的呼吸阻抗测量功能（参见本产品说明书第 9 页顶部信息）。此外二者一致。如欲了解有关功能如何工作的细节，请参见应用手册：

使用阻抗充气造影术进行呼吸测量

ADS1298R 不提供采用 TQFP 封装的版本，仅提供 BGA 版。

9、问：我刚拿到 ADS1298ECGFE-PDK，但总遇到故障消息“下载失败……复位硬件”。这是什么原因？

答：该消息出现是因为 PC 没有发现 MMB0，另外，随后还会弹出对话框“固件加载因超时失败。请复位硬件并继续加载固件。”我们首先来解决潜在的硬件问题：

如欲调试 MMB0 硬件，需要注意几件事。首先是 J12 上的分流跳线 （shunt jumper），其是一根双引脚跳线，刚好在 MMBO上电源插孔以下的略偏左处。如果由于某种原因分流跳线在运输过程中断开了，则会遇到上述报错消息。第二种可能性是未将 MMB0 配置为 USB 启动模式。如果您的 MMBO 为 REV C 版本（REV C 在电路板的底部安装了 4 个支架，而 REV D 则采用 4 个橡胶粘贴支脚），电源插孔右侧有一个开关。该开关应当处于 USB 位置（靠近电路板的中心），才能正确加载固件。电路板的 REV D 版本没有安装这个开关，通过 S4 上的连线短接设置 USB 启动模式。最后一种可能性就是实际的重设 （RESET） 开关。RESET 开关 （S3） 在 MMBO 的右上角，在极少见的情况下，可能会出现 REV C 板开关不能短接的问题。如果手指按压感觉不到开关，请在电路板右上角的两个外部引脚之间使用万用表验证开关是否为“开”或电阻值为无穷大。

若正确配置 J12、S4 和 S3，那么接下来就应检查在您的 PC 上是否正在载入 MMBO 的驱动器。安装完软件、插上 USB 线缆，首次上电启动电路板时，您应该会看到“发现新硬件 （Found New Hardware）”提示信息。第一个要安装的驱动器是 NI-VISA USB 器件驱动器 （NI-VISA USB Device Driver）。看到提示后选择“否，这次不”和“自动安装软件”。安装完器件驱动器后，器件管理器会显示带 TMS320VC5509A（NI-VISA）驱动器的 NI-VISA USB 器件类型。这时，一旦您首次启动 ADS1298 软件，就会获得发现新器件的另一个提示消息。第二个要安装的驱动器为 USBStyx 驱动器，仍然如上所述按照提示进行操作（不要搜索，选择自动安装），然后等待安装完成。在此期间，固件可能会超时并提示“下载失败……复位硬件”，不过这时我们可按下复位按钮或重启 ADS1298ECG-FE GUI，即可消除此信息。