24位△一∑型模数转换器ADS1258的性能特点及应用设计分析
1 概述
ads1258是ti公司推出的一款高精度、低功耗、低噪声的16通道（多路复用的）24位△一∑型模数转换器（adc），其内部集成了输入多路复用器、模拟低通滤波器、数字滤波器等功能。内部有多种控制寄存器，用户通过不同的配置得到不同的a／d采样速率、采样模式、a／d转换精度等。适用于对性能、功耗要求高、模拟通道要求多的数据采集系统。
2 ads1258主要特点及引脚功能
2．1 主要特点
△一∑adc，24位转换精度，定通道采样速率为125 ks／s（可编程），自动通道检测通道采样速率为23．7 ks／s（可编程）；
模拟输入多路复用器可配置成8路差分输入或16路单极输入。多路复用器的输出可通过外部获得，这就能在adc输入之前采用共享的信号调节通道；
0．5μv／℃的失调漂移、最大0．001 0％的满量程整数非线性误差；
工作电压范围为2．7～5．25 v；
内部带有针对低噪声性能进行了专门优化的5阶正弦数字滤波器；
带有串行外设接口（spi）；
与其他adc相比，ads1258具有精度高、转换数率快、功耗低、工作性能好等特性，适用于设备与系统监控、数据采集、医疗、航空电子、测试测量等多通道应用场合。
2．2 引脚功能
ads1258采用qfn一48小型封装，各引脚功能定义如下：
aino～ainl5：模拟信号输入端；
gpl00“gpl07：gpio信号输入／输出端；
clksel：时钟信号选择输入端；
sclk：spi接口时钟输入端；
din：spi接口数据输入端；
dout：spi接口数据输出端；
drdy：数据准备好输出端；
start：数据开始转换信号输入端；
cs：spi接口片选端；
vrefn：参考电压输入端（+）；
vrefp：参考电压输入端（一）；
adcinn：模拟差分输入端（一）；
adcinp：模拟差分输入端（+）；
muxoutn：多路复用器差分输出端（一）；
muxoutp：多路复用器差分输出端（+）；
dvdd：数字电源，2．7”5．25 v；
reset：复位端。
2．3 结构原理
图l为ads1258的内部结构框图。ads1258主要由模拟多路开关（mux）、可共享的信号调理通道、4阶△一∑adc、5阶正弦数字滤波器、spi接口、gpio接口、时钟发生器、控制器等组成。模拟信号从aino～ainl5引脚输入，通过多路模拟开关可将其配置成8路差动输入或16路单极输入，通过共用的信号调理通道，输入到4阶△一∑adc实现24位a／d转换，通过数字滤波器，最终以spi接口的形式输出数字信号。在使用外部可共享的信号调理通道时，根据实际情况，可关闭所使用的调理通道，只需将寄存器configo的第4位（bypas）置0即可关闭外部调理通道，直接在ads1258内部实现连接。但是，在大多数使用条件下，为获得更高的a／d转换精度，建议使用外部信号调理通道。
ads1258采用4线制（时钟信号sclk、数据输入din、数据输出dout和片选）spi通信方式，由于ads1258无法控制spi何时开始传输，而是由主机控制数据传输，因此ads1258只能工作在spi通信的从模式下，设计时可通过各种主控制器控制ads1258片上的寄存器，并通过spi接口读写这些寄存器。通过spi接口进行通讯时，必须保持cs信号为低电平，drdy引脚用于表明转换是否完成，drdy为低时，说明转换已完成，可以直接通过通道读取数据或通道读数据命令从dout引脚上读出转换数据。spi通信，可同步发送和接收数据，而且数据也可利用sclk和din，dout信号同步移动。在sclk的下降沿，系统通过din向ads1258发送数据；而在sclk的上升沿，系统则通过dout从ads1258读取数据。dln和dout也通过一条双向信号线与主控制器相连。图2给出spi通讯时序图。
2．4 主要寄存器
ads1258工作过程的建立主要通过设置其独立寄存器来实现的。这些寄存器包括出厂时所有需要设置的信息，如采样模式、外部信号调理通道开关、时钟模式的选择、模拟输入是单极输入还是差分输入等等。表l给出了ads1258的主要寄存器。其中config0和configl为状态寄存器，muxsch为多路固定通道选择寄存器，muxdif为多路模拟差分输入配置寄存器，muxsg0和muxsgl为模拟单极输入通道选择寄存器。状态寄存器config0的最高位由制造商设定为0，不能更改。spirst决定了ads1258的spi接口复位时间，spirst=l时其复位时间为4 096fclk；spirst=o时则为256fclk。muxmod是扫描模式选择位，当muxmod=0时采用自动扫描模式；muxmod=l时采用固定模式。bypas位用于选择是否采用外部信号调理通道选择位，bypas=0时，内部多路复用器短接而不使用外部的信号调理通道；bypas=l时，输入的模拟信号通过共用的外部信号调理通道传输到24位△一∑adc转换器。congigl寄存器中的drate［1：0］位是a／d转换速率选择位，在自动扫描模式下，drate［1：0］=ll=23．739 ks／s；drate［1：o］=10=15．123 ks／s；drate［l：0］=0l=6．168 ks／s；drate［l：o］=ol=6．168 ks／s；drate［1：0］=00=1．83l ks／s。
3 典型应用
3．1 硬件设计
图3为ads1258的单极多通道应用电路图。该电路为多路数据采集系统，将外部输入的16路模拟信号通过多路模拟开关，传输到外部共用的信号调理通道，通过信号调理通道的信号调节作用，传输给24位△一∑型a／d转换器进行模数转换，a／d转换结束后，将转换结果通过专门优化的5阶正弦数字滤波器进行滤波，最后才通过spi接口传输给c805lf120进行处理。
为了提高数据的采集精度，本采集系统采用maxim公司的具有高精度和低漂移的4．096 v电压基准max6164a。同时由于输入信号的电压范围为o“1 v，为了使输入信号的范围与电压基准相一致，提高采集精度，在信号通过外部信号调理通道时，调整比例因子，即就是r7和r6的值，使输入信号放大4倍，量程为0”4 v，其电压增益av=1+（2r7／r6），只要选择合适的r7和r6，使av=4即可满足要求。同时为了提高a／d转换精度，选用r6和r7时尽可能选择高精度的精密电阻。
3．2 软件设计
由于c805lfl20和ads1258都拥有各自的硬件spi接口，编程比较简单，只要按照ads1258的时序图编程即可实现软件设计功能，需注意以下事项：使用spi接口时，要先对行spi接口进行复位，可采用硬件复位或软件复位，但是即使采用硬件电路复位，使cs信号固定在低电平时，还要进行spi软件接口复位，否则有可能使spi读写数据不准确。
在配置a／d转换速率时，在满足系统条件下，尽量选择转换速率比较低的工作模式，这样可以提高转换精度；
为达到最佳性能，在电路布局时要使数字信号线与模拟信号线相隔离，可根据实际应用需要，可选择数字电源和模拟电源工作在不同的电压模式。
4 结语
ads1258具有转换速率快、高精度、低功耗、接口简单等优点，非常适合多通道高精度数据采集领域的使用。目前，基于ads1258的数据采集处理系统已经在某导航系统中使用，并且取得了很好效果。
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clksel：时钟信号选择输入端；
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din：spi接口数据输入端；
dout：spi接口数据输出端；
drdy：数据准备好输出端；
start：数据开始转换信号输入端；
cs：spi接口片选端；
vrefn：参考电压输入端（+）；
vrefp：参考电压输入端（一）；
adcinn：模拟差分输入端（一）；
adcinp：模拟差分输入端（+）；
muxoutn：多路复用器差分输出端（一）；
muxoutp：多路复用器差分输出端（+）；
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