高精度模数转换器ADS1256的原理和应用

ADS1256是TI公司Burr-Brown产品线推出的微功耗、高精度、8通道、24位△-∑型高性能模数转换器（ADC）。该器件提供高达23比特的无噪声精度、数据速率高达30kSPS（次采样/秒）、0.0010%非线性特性（最大值）以及众多的板上外设（输入模拟多路开关、输入缓冲器、可编程增益放大器和可编程数字滤波器等），可为设计人员带来完整而高分辨率的量测解决方案。ADS1256采用SSOP-2封装，1000颗采购量零售单价为8.95美元。

ADS1256主要特点

1、8通道输入：可同时采集8路信号输入。

2、测量范围广：基本范围为0-5V输入电压，可在输入端可焊接分压电阻，将电压调整至0-5V内，所以此采集卡可采集市面上大部分标准电压，

3、采集频率高，精度高：采集卡的采集速率为30K/s，精度可达到0.00001。

4、工业应用级布线，模地，数字地完全隔离，抗干扰能力强。

5、体积小，方便安装应用

6、跳帽设计，方便多重状态组合

ADS1256内部结构

ADS1256的内部结构如图1所示。该器件主要由模拟多路开关（MUX）、输入缓冲器（BUF）、可编程增益放大器（PGA）、四阶△-∑调制器、可编程数字滤波器、时钟发生器、控制器和串行SPI接口等组成。由于ADS1256提供有九路模拟输入端，因此，可使用模拟多路开关寄存器来将其配置为4路差动输入、8路单极输入或差动输入和单极输入的组合。当模拟输入通道0被选择为正差动输入端（AINP）时，其余通道可被选择为负差动输入端（AINN）。通常，输入引脚的选择是没有限制的，但是为了得到最佳的模拟性能，推荐如下的引脚连接方式：

1.作差动测量时，一般将AIN0~AIN7作为输入端，不用AINCOM；

2.作单极测量时，一般将AIN0~AIN7作为单极输入端；AINCOM作为公共输入端，但是不把AINCOM接地；

3.将未用的模拟输入引脚悬空，这样有利于减小输入泄漏电流。

ADS1256工作原理

ADS1256采用四线制（时钟信号线SCLK、数据输入线DIN、数据输出线DOUT和偏片选线CS）SPI通信方式，只能工作在SPI通信的从模式下。设计时可以通过各种主控制器（如单片机等）来控制ADS1256片上的寄存器，并通过串口读写这些寄存器。串口通信时，必须保持CS为低电平。DRDY引脚用来表明转换已经完成，可以通过RDADA或者RDATAC命令从DOUT引脚读取最新的转换数据。在SPI通信过程中，可同步地发送和接收数据，而且数据也可来利用SCLK和DIN、DOUT信号同步移动。SCLK信号要尽量保持干净以免发生数据错误，在SCLK的上升沿，可通过DIN向ADS1256发送数据，而在SCLK的上升沿，可通过DOUT从ADS1256读取数据。DIN和DOUT也可以通过一条双向信号线与主控制器相连，但在这种情况下，一定不能用RDATAC命令来读取数据。图2为SPI通信时序关系。

ADS1256有四个通用数字I/O口，所有的I/O口都可以通过IO寄存器设置为输入或输出。通过IO寄存器的DIR位可对每一个脚的输入或输出进行设置；DIO位用于控制每一个脚的状态。通过D0脚可设置一个时钟发生器以供别的设备使用（如微控制器等）。此时钟可以通过ADCON寄存器的CLK0和CLK1位设置成fCLKIN、fCLKIN/2、fCLKIN/4。把D0作为时钟要增加电压的消耗，因此，如果不需要时钟输出功能，最好在上电或者复位后通过写ADCON寄存器使其处于无效状态。不用的IO引脚可以作为输入接地，也可以设置为输出，这样有利于减小电源消耗。

ADS1256的主时钟可以由外部晶振或时钟发生器提供。由外部晶振产生时，PCB布线板上的晶振应该尽量地靠近ADS1256。为了保证能够起振并得到一个稳定频率，可使用一个外部电容（一般使用陶瓷电容）。晶振频率一般选择7.68MHz（即fCLKIN=7.68 MHz）。

ADS1256可通过复位引脚RESET、RESET命令和特殊串口通信时钟SCLK三种方式进行复位。ADS1256的同步操作则有SYNC/PDWN引脚和SYNC命令两种方式。

ADS1256工作过程的建立主要是通过对11个独立寄存器的设置来完成，这些寄存器包括了所有需要设置的信息，如采样速度、模拟多路开关、PGA设置、I/O选择、自校准等。表1给出了ADS1256的主要寄存器状态，其中包括：状态寄存器STATUS、模拟多路开关寄存器MUX、AD控制寄存器ADCON和数据速度寄存器DRATE。

其中，状态寄存器STATUS（地址00h，复位值为X1H）的高四位（ID位）由出厂设定，ORDER位为数据输出顺序选择位，为0时，数据输出高位在先（默认）；为1时，数据输出低位在先。ACAL位为自动校准选择位，为0时，自动校准关闭（默认）；为1时，自动校准开启。BUFFER位为输入缓冲选择位，为0时，输入缓冲关闭（默认）；为1时，输入缓冲开启。DRDY位为转换数据状态位，此位完全复制DRDY引脚的状态，DRDY低电平时，表明数据转换结束，结果可以读出；高电平时，表明没有数据转换或者正在转换数据，此时不能读数据。