24位高性能模數轉換器ADS1274及其應用

　　1 概述

　　ADS1274／ADS1278是德州儀器(TI)推出的多通道24位工業(yè)模數轉換器(ADC)，內部集成有多個獨立的高階斬波穩(wěn)定調制器和FIR數字濾波器，可實現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128 Ks／s，62 kHz帶寬時信噪比(SNR)可達111 dB，失調漂移為0.8μV／℃。

　　ADS1274／ADS1278可通過設置相應的輸入／輸出引腳選擇工作模式，無需寄存器編程，其數據輸出可選幀同步或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℃，可滿足要求嚴格的多通道信號采集應用，包括振動分析、醫(yī)療監(jiān)控、聲學／動態(tài)應變測量及壓力測量設備等。

　　2 性能特點

　　傳統(tǒng)的具有較高漂移性能的工業(yè)△-∑ADC采用導通帶寬滑落幅度很大的數字濾波器，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)范遠低于工業(yè)ADC。ADS1274／ADS1278將兩種類型的轉換器相結合，實現最佳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；

　　片上線性相位數字濾波器；

　　SPI或幀同步串行接口；

　　低采樣孔徑誤差；

　　調制器輸出選擇。

　　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△-∑型模數轉換器，其結構框圖如圖1所示，兩者除內部所含模／數轉換器(ADC)數目不同外，功能完全相同。它們主要由4／8個獨立的ADC并行實現4／8通道輸入信號的數字化，每個ADC由先進的6階斬波、△-∑調制器，后接低紋波、線性相位的有限沖積響應(FIR)數字濾波器構成。調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，輸出的位流經內部的數字濾波器濾波后得到一個低噪聲的數字輸出。

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

　　4.2 工作模式設置

　　ADS1274／ADS1278允許在速度、精度、功耗方面權衡從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 數據輸出接口

　　ADS1274／ADS1278轉換后的數據輸出采用串行接口，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據輸出格式，協(xié)議和數據輸出格式的選擇是由FORFMAT[2：0]引腳的輸入狀態(tài)確定。

　　對應SPI和幀同步接口協(xié)議，轉換后的數據或通過獨立的DOUT引腳以并行數據形式(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數據輸出模式中，多通道輸出數據的位置有兩種選擇，即位置固定和位置動態(tài)分配。位置固定時，每個通道輸出數據的位置嚴格按照順序輸出(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據的位置可根據通道使用情況隨機調整，后續(xù)通道數據可占有前面掉電不用通道數據的位置，圖2和圖3描述了TDM模式時，固定位置和動態(tài)位置時的數據輸出形式，表3列出接口協(xié)議、輸出格式和數據位置關系。

　　5 應用接口電路

　　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，采用運算放大器OPA1632和RC構成的低通濾波器對輸入信號進行調理，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 結束語

　　ADS1274／1278是基于△-∑技術的24位高性能工業(yè)模數轉換器，內部集成有多個獨立的高階斬波穩(wěn)定調制器和FIR數字濾波器，具有優(yōu)良的AC和DC性能，可實現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；數據輸出可選幀同步或SPI串行接口，每個接口均支持菊花鏈連接，可應用于要求嚴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)應變測量設備等。