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ADS1220 24 位模数转换器 (ADC)的器件功能模式分析

2026/3/16 11:52:14
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上电与复位

当ADS1220电子元器件上电时,会执行一次复位操作。该复位过程大约耗时 50 μs。复位完成后,所有内部电路(包括电压基准)均已稳定,可与器件进行通信。作为复位过程的一部分,器件会将配置寄存器中的所有位重置为各自的默认设置。默认情况下,器件被设置为单次转换模式。上电后,器件使用默认寄存器设置执行一次单次转换,然后进入低功耗状态。当转换完成时,DRDY 引脚从高电平跳变为低电平。DRDY 引脚的高到低跳变可用于指示 ADS1220 已就绪并可投入使用。此上电行为旨在防止系统在启动期间因电流浪涌而受到影响,特别适用于对电源要求严格的系统。

转换模式

器件可在两种转换模式中运行,这两种模式可通过配置寄存器中的 CM 位进行选择:单次转换模式和连续转换模式。

单次转换模式

在单次转换模式下,器件仅在发出 START/SYNC 命令时执行一次转换。随后,器件执行一次单次转换,并返回至低功耗状态。在此低功耗状态下,内部振荡器和所有模拟电路(除激励电流源外)均被关闭,直到下一次转换开始。此外,在转换过程中写入任何配置寄存器也会启动一次新的转换。向正在进行的转换中写入任何配置寄存器的功能等同于一个新的 START/SYNC 命令,它会停止当前转换并重新启动一次单次转换。每次转换都能完全建立(假设模拟输入信号在转换开始前已稳定至其最终值),因为器件的数字滤波器在一个周期内即可建立完毕。

连续转换模式

在连续转换模式下,器件持续执行转换。当一次转换完成后,器件将结果存入输出缓冲区,并立即开始下一次转换。

为了启动连续转换模式,必须先将 CM 位设为 1,然后发送一个 START/SYNC 命令。第一次转换将在 START/SYNC 命令最后一个 SCLK 下降沿之后的 210 · t(CLK)(正常模式、占空比模式)或 114 · t(CLK)(涡轮模式)后开始。在正在进行的转换期间写入任何配置寄存器都会重启当前转换。建议在将 CM 位设为 1 后立即发送 START/SYNC 命令。

工作模式

除了不同的转换模式外,器件还可运行于多种工作模式,这些模式可用于权衡功耗、噪声性能和输出数据速率。这些模式包括:正常模式、占空比模式、涡轮模式和掉电模式。

正常模式

正常模式是上电后的默认工作模式。在此模式下,ΔΣ ADC 的内部调制器以调制器时钟频率 f(MOD) = f(CLK) / 16 运行,其中系统时钟 f(CLK) 可由内部振荡器或外部时钟源提供。当使用内部振荡器时,调制器频率为 256 kHz。正常模式提供的输出数据速率选项范围为 20 SPS 至 1 kSPS(使用内部振荡器)。若使用频率为 4.096 MHz 的外部时钟源,则数据速率按比例缩放。例如,使用 f(CLK) = 2.048 MHz 的外部时钟时,数据速率范围为 10 SPS 至 500 SPS。

占空比模式

降低输出数据速率通常可改善 ΔΣ ADC 的噪声性能,因为更多采样点的内部调制器输出会被平均以产生一次转换结果。在对功耗敏感的应用中,可能不需要低数据率下的改进型噪声性能。为此,器件支持一种自动占空比模式,通过在转换之间周期性进入低功耗状态来实现显著节能。原则上,器件以 25% 的占空比运行于正常模式。这意味着器件在相同时间内执行一次转换,如同在正常模式下运行一样,但随后会自动进入低功耗状态三个连续的转换周期。因此,占空比模式下的噪声性能相当于正常模式下四倍数据速率时的噪声性能。使用内部振荡器时,占空比模式的数据速率范围为 5 SPS 至 250 SPS。

涡轮模式

需要更高数据速率(最高达 2 kSPS)的应用可使器件工作于涡轮模式。在此模式下,内部调制器以更高的频率 f(MOD) = f(CLK) / 8 运行;当使用内部振荡器或 4.096-MHz 外部时钟时,f(MOD) 等于 512 kHz。请注意,由于调制器以更高频率运行,器件的功耗会增加。在可比输出数据速率下,ADS1220 在涡轮模式下运行时相比正常模式能提供更好的噪声性能。例如,在 90 SPS 输出数据速率下,涡轮模式的输入参考噪声低于正常模式在 90 SPS 时的输入参考噪声。

掉电模式

当发出 POWERDOWN 命令时,器件在完成当前转换后进入掉电模式。在此模式下,所有模拟电路(包括电压基准和两个 IDAC)均被断电,低侧电源开关被打开,器件仅消耗 400 nA 的电流。在掉电模式下,器件保留配置寄存器设置并响应命令,但不执行任何数据转换。

发出 START/SYNC 命令可唤醒器件,并根据所选的 CM 位启动单次转换或连续转换模式。请注意,向任何配置寄存器写入数据也会唤醒器件,但无论所选转换模式如何,都只会启动一次单次转换。

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