基于ADS1259的高精度采集系统设计

摘要：提出了一种基于ADS1259的高精度采集系统。该系统以可编程增益仪表放大器PCA280和24位模数转换器ADS1259为核心器件，可以根据采集信号的不同范围设置放大相应倍数以满足ADS1259的采集范围要求。经实测，本系统可充分发挥ADS1259高线性度、低漂移、低功耗的特性，适用于对功耗、体积、精度有严格要求的应用场合。
关键词：ADS1259；PGA28；采集系统；高精度

    随着现代电子技术的发展，技术领域数字化进程的不断推进，模数转换器作为模拟信号转换为数字信号的桥梁，发挥了越来越重要的作用。AD转换器的分辨率和转换速度直接决定了系统的应用场合的限制。ADS1259是专为满足工业过程控制、精密仪表及其他精确应用的需要而设计，通过与可编程信号放大器PGA280相组合，即可形成一款能够对各种各样的信号进行数字化处理的高分辨率、高准确度测量系统。本系统可以通过控制器直接设置仪表放大器PGA280的放大倍数，采集不通范围的直流微弱信号，转换精度达到24位无误码。本系统适用于对各种各样的信号进行数字化处理的高分辨率、高准确度测量系统。

1 主要特性
    ADSl259是一款高线性度、低漂移、24位高精度模数转换器。该转换器具有4阶固有稳定调制器，因此具有优良的噪声和线性特性，该调制器的输出与片上数字滤波器联合使用；数字滤波器可通过编程选择不同的滤波方式，同时具有校准引擎。ADS1259的额定工作温度范围为-40至+105℃，适用于工业过程控制、精密仪表及其他精确应用的场合。
    ADS1259的主要特性如下：
    1)高分辨率：24位无数据丢失；
    2)高精度：积分非线性(INL)为0．4ppm；
    3)低温度漂移：基准漂移为2ppm／℃，增益漂移为0．5 ppm／℃，失调漂移为0．05μV／℃；
    4)低噪声0．7μVRMS (在60SPS数据速率条件下)；
    5)输出速率可调：10SPS至14kSPS；
    6)同时50／60Hz抑制(在10SPS数据速率条件下)；
    7)单周期稳定；
    8)内部振荡器；
    9)过量程保护；
    10)带有串行外设接口(SPI)；
    11)低功耗：13mW；
2 引脚说明
    ADS1259采用SSOP-20封装，引脚排列图如图1所示。

    ADS1259主要引脚功能说明如下：
    AINP、AINN：正、负模拟输入端：：掉电输入、复位输入，低电平有效；START：开始转换输入，高电平有效；SYNCOUT：同步时钟输出端；：片选输入；SCLK：串行时钟输入；DIN、DOUT：串行数据输入、输出；：数据转换好完成标志位，低电平表示数据转换完成：XTAL1／CLKN：当选用内部振荡器时，此引脚接DGND，当选用外部时钟时，此引脚为外部时钟输入，当选用外部晶振时，与XTA L2联合使用；XTAL2：当选用外部晶振时，与XTAL1联合使用，否则悬空；BYPASS：电压旁路；DGND：数字地：DVDD：数字供电电源；REFOU T：2．5V参考电压输出；VREFP、VREFN：正、负基准输入；AVDD、AVSS：正、负模拟供电电源。

3 内部结构与工作原理
    ADS1259的内部结构如图2所示，主要由△-∑调制器、可编程数字滤波器、校准引擎、过量程保护、时钟发生器、控制器及SPI串行接口等组成。

    ADS1259的调制器是一个高性能、固有稳定的4阶△-∑调制器，该调制器将待测差分输入信号VIN(其中VIN=VAINP-VAINN)与基准电压VREF(其中VREF=VVREFP-VVREFN)相比较，输出经可编程数字滤波器滤波和校准能变成高精度的数字输出。ADS1259通过设置寄存器CONFIG1[7：6] (FLAG位和CHKSUM位)来决定是否输出过量程检测结果和校验结果，当CONFIG1[7：6]=11时，输出结果为32位数据，后8位为校验和CHECKSUM，并且CHECKSUM的最高位代表是否过量程标志位；当CONFIG1[7：6]=01时，输出结果仍为32位数据，后8位为校验和CHECKSUM，此时无过量程标志位；当CONFIG1[7：6]=10时，输出结果为24位数据，最后一位BIT代表是否过量程标志位，无校验和；当CONFIG1[7：6]=00时，输出结果为24位数据，此时无过量程标志位和校验和。
    ADS1259芯片的基准电压可以选择芯片内部产生2．5V的参考源或者外接参考源，如果设置2．5V电压输出，则需要在REFOUT和AVSS两引脚间接1μF电容；基准电压采用外接参考源时，需要在VREFP和VREFN两引脚间接1μF电容。数字滤波器有两个级联的滤波器组成：一个五级sinc滤波器和一个可编程选择的滤波器。ADS1259的主时钟可以由外部晶振、外部时钟发生器或内部时钟振荡器提供，如果主时钟由一个外部晶振产生，在PCB布线时，晶振应该尽量地靠近ADS1259。
    ADS1259有两种控制方式控制芯片启动和停止转换：1)通过START引脚控制，上升沿有效，表示启动AD数据转换，知道引脚来下降沿才表示转换结束，低电平表示停止工作：2)也可以通过发送START和STOP命令来控制ADS1259。
    图3为本文设计的基于ADS1259的高精度采集系统电路。

    ADS1259是高精度的AD转换器，为了得到最佳的转换结果，在应用期间要注意外围电路和印刷电路板设计。要为ADS1259提供高精度、低噪声、低温漂的基准电压，或者由芯片内部提供基准电压。在模拟电源和数字电源的输入端一般要并联一个旁路电容和一个去耦电容，防止电源波动对ADS1259的性能造成影响，注意电容要尽量靠近引脚。模拟电源地和数字电源地应采用单点连接，避免模拟地和数字地之间有电压存在。另外，在使用ADS1259时，还应注意以下几点：1)模拟电源和数字电源分别供电，并且模拟地和数字地单点连接；2)为ADS1259选取高质量的基准电压源，基准电压源的噪声和漂移都会影响采集系统的性能；3)应将输入端前的RC滤波器尽可能地靠近ADS1259，降低干扰；4)如果采用外部晶振，也要靠近ADS1259，晶振典型值为7．3728MHz，接入电容为18pF；5)PCB布线时，信号走线尽量不换层，减少干扰；6)在设计电路板布线时，应尽可能地让差分信号两条线长度相等，元器件尽可能靠近，防止电磁干扰。
    为了提高采集信号的质量、有效去除环境造成的噪声干扰，将前端信号通过前端滤波网络送入仪表放大器，接入方式采用差模输入方式。PGA280是一款高精度，具有数字可控制增益和信号完整性测试能力。该器件拥有低失调、接近于零的失调以及增益漂移、优异的线性度，并且几乎没有1／f噪声，并提供了出色的共模及电源抑制性能。PGA280可以通过编程使两个差分输入信号交替放大输出，还可以通过设置GPIO口来扩展功能。
    PGA280输出的差分信号经过RC低通滤波器进入ADS1259模数转换器，R1和R2两个电阻尽可能靠近ADS1259，外接7．3728MHz晶振。基准参考电源对数据转换有直接的影响，低噪声、低温漂和高精度的基准参考电压源就显得十分必要，可以选用REF5025作为参考电压源，3ppm的低温漂、0．05％的高精度和3μV／V的低噪声，能很好的提供了基准参考电压。
    仪表运放PGA280和ADS1259都是SPI接口，控制器可以通过CS_AD和CS_PGA选择通信的器件，首先拉低CS_PGA来配置PGA280的寄存器，设置放大倍数和选择通道；再拉高CS_PGA，拉低CS_AD来对ADS1259进行初始化设置，主要设置CONFIG0～3三个寄存器。

4 结束语
    本文设计并实现了一种基于ADS1259的高精度采集系统。为满足ADS1259的采集范围要求，该系统借助可编程增益仪表放大器PGA280实现输入微弱信号的差分放大以及噪声信号的有效抑制。经实测，该系统具有线性度高、漂移低、低功耗等一系列特点，是高精度采集处理的一种高效可行的解决方案。