ADS1015中文部分章节.docx
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ADS1015中文部分章节
具有内部基准、振荡器和可编程比较器且兼容I2C的
ADS101x超小型低功耗3.3kSPS12位ADC
1特性
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超小型X2QFN封装:
2mm×1.5mm×0.4mm
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12位无噪声分辨率
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宽电源电压:
2.0V至5.5V
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低流耗:
150μA
(连续转换模式)
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可编程数据速率:
128SPS至3.3kSPS
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单周期稳定
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内部低漂移电压基准
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内部振荡器
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I2C接口:
四个可通过引脚选择的地址
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四个单端输入或两个差分输入(ADS1015)
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可编程比较器(ADS1014和ADS1015)?
工作温度范围:
-40°C至+125°C
2应用
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便携式仪表
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电池电压和电流监控
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温度测量系统
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消费类电子产品
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工厂自动化和过程控制
3说明
ADS1013、ADS1014和ADS1015器件(ADS101x)是兼容I2C的12位高精度低功耗模数转换器(ADC),采用超小型无引线X2QFN-10封装和VSSOP-10封装。
ADS101x器件采用了低漂移电压基准和振荡器。
ADS1014和ADS1015还采用可编程增益放大器(PGA)和数字比较器。
这些特性以及较宽的工作电源电压范围使得ADS101x非常合适功率受限和空间受限的传感器测量应用。
ADS101x可在数据速率高达每秒3300个样本(SPS)的情况下执行转换。
PGA可提供从±256mV到±6.144V的输入范围,从而实现精准的大小信号测量。
ADS1015采用一个输入多路复用器(MUX),可实现两次差动输入测量或四次单端输入测量。
在ADS1014和ADS1015中可使用数字比较器进行欠压和过压检测。
ADS101x既可工作于连续转换模式下,也可工作于单冲模式下。
在单冲模式下,这些器件可在一次转换后自动断电;因此显著降低了空闲期间的功耗。
8详细描述
8.1概述
ADS101x是非常小的,低功耗,无噪声,12位,delta-sigma(ΔΣ)模拟-数字转换器(ADCs)。
ADS101x包含一个带有内部电压基准,一个时钟晶振,一个I2C接口的ΔΣADC内核。
图7,图8,图9分别描述了ADS1015,ADS1014和ADS1013的原理框图。
8.2
原理框图
8.3特性描述
8.3.1多路复用器
ADS1015含有一个输入多路复用器(MUX),如图10。
可以测量四个单端或两个差分信号。
此外,AIN0andAIN1可以和AIN3进行差分测量。
配置多路复用器在配置寄存器的MUX[2:
0]。
当测量单端信号时,ADC的负输入通过多路复用器内的开关内部连接到GND。
ADS1013和ADS1014没有输入多路复用器,可以测量任意一个差分信号或者单端信号。
对于单端信号测量,将AIN1引脚从外部连接到GND。
在本数据表后续章节中,对于ADS1013
和ADS1014,AINP指AIN0,AINN指AIN1。
静电放电(ESD)二极管连接到VDD和GND保护ADS101x模拟输入。
将任意输入的绝对电压保持在公式1所示的范围内,以防止ESD二极管打开。
GND–0.3V (1) 如果输入管脚上的电压可能违反这些条件,使用外部肖特基二极管和串联电阻将输入电流限制在安全值(见绝对最大额定值表)。 8.3.2模拟输入 ADS101x采用一个开关电容,在输入级阶段电容连续充电后放电,测量AINP与AINN之间的 电压。 输入信号采样的频率称为采样频率或调制器频率(fMOD)。 ADS101x有一个1-MHz的内 部振荡器,再除以4,产生250kHz.的fMOD。 在这个输入阶段使用的电容很小,对于外部电路,平均负载呈现电阻性。 图11显示了这个结构。 电容值设置电阻和开关速率。 图12显示了图11中开关的时间。 在采样阶段,开关S1关闭。 这就让CA1到V(AINP),CA2到V(AINN),CB到(V(AINP)-V(AINN))。 在放电阶段,S1首先被打开,然后S2被关闭。 然后CA1和CA2放电到大约0.7V,CB放电到0V。 这种充电会从驱动ADS101x模拟输入的电源中提取非常小的瞬态电流。 这个电流的平均值可以用来计算有效阻抗(Zeff),其中Zeff=VIN/IAVERAGE。 图11.简化模拟输入电路 图12.S1和S2开关时间 共模输入阻抗是通过应用对短路的AINP和AINN输入共模信号并测量每个引脚消耗的平均电流来测量的。 共模输入阻抗的变化取决于量程范围,但是默认的量程范围大约为6MΩ。 在图11中共模输入阻抗为Zcm。 差分输入阻抗是通过对一个输入保持在0.7V的AINP和AINN输入应用一个差分信号来测量 的。 通过连接到0.7V的引脚的电流是差分电流,并且随着量程的变化而变化。 在图11中,差分输入阻抗为ZDIFF。 确保考虑到输入阻抗的典型值。 除非输入源具有低阻抗,ADS101x输入阻抗可能会影响测量精度。 对于高输出阻抗的来源,缓冲可能是必要的。 主动缓冲器会产生噪声,也会产生偏移和增益误差。 在高精度应用中要考虑所有这些因素。 时钟振荡器有少许温漂,因此,输入阻抗也会漂移。 对于绝大多数应用,这种输入阻抗漂移是微不足道,可以忽略的。 8.3.3满量程范围(FSR)和LSB大小 一个可编程增益放大器(PGA)在ADS1014和ADS1015的ΔΣAD之C前应用。 配置满量程范围在配置寄存器的PGA[2: 0]位,并且可以设置为±6.144V,±4.096±V,2.048V,±1.024V,±0.512V,±0.256V。 表1显示了FSR和相应的LSB大小。 公式2显示了如何从选取的满量程范围内计 算LSB大小。 12 LSB=FSR/212 (2) 表1.满量程和相应的LSB尺寸 (1)这个参数表示ADC缩放大小的的满量程范围。 ADS1013的FSR固定为±2.048V。 模拟输入电压决不能超过绝对最大额定值中给定的模拟输入电压限制。 如果使用VDD电源电压大于4V,±6.144V的量程范围允许输入电压升高至电源。 尽管在这种情况下(或者当电源电压小于满量程时,就无法得到满量程值的ADC输出代码。 例如VDD=3.3V和FSR =±4.096V,只有到VIN=±3.3的V信号可以测量。 本例中不使用表示电压|VIN|>3.3V的代码 范围。 8.3.4基准电压 ADS101x有一个内部基准电压。 这些设备不能使用外部参考。 与初始电压基准精度和温漂参考的相关误差包含在电气特性表的增益误差和增益漂移技术参数中。 8.3.5振荡器 ADS101x有一个内部振荡器,运行在1MHz。 没有外部时钟可以用来操作这些设备。 内部振荡器随温度和时间漂移。 输出数据速率与振荡器频率成比例地缩放。 8.3.6输出数据速率和转换时间 ADS101x提供可编程的输出数据速率。 使用配置寄存器中的DR[2: 0]位选择128SPS、250SPS、490SPS、920SPS、1600SPS、2400SPS或3300SPS的数据输出速率。 ADS101x的转化率在一个周期内稳定下来;因此,转换时间等于1/DR。 8.3.7数字比较器(仅适用于ADS1014和ADS1015) ADS1015和ADS1014具有一个可编程的数字比较器,可以在ALERT/RDY引脚上发出警报。 配置寄存器中的COMP_MODE位将比较器配置为传统比较器或窗口比较器。 在传统比较器模式下,当转换数据超过高阈值寄存器(Hithresh)中设置的限制时,ALERT/RDY引脚发出报警(asserts)(默认为activelow)。 只有当转换数据低于低阈值寄存器(Lothresh)中设置的限制时,比较器才会取消报警(deasserts)。 在窗口比较器模式下,当转换数据超过Hithresh寄存器或低于Lothresh寄存器值时,ALERT/RDY引脚发出报警。 在窗口或传统的比较器模式下,可以在配置寄存器中的COMP_LAT位将比较器配置为报警后进行锁存。 即使输入信号没有超出阈值寄存器的界限,该设置也会使报警保持不变。 这个锁住的报警只能通过发出SMBus警报响应或读取转换寄存器来清除。 ALERT/RDY引脚可以通过配置寄存器中的COMP_POL位配置为逻辑高(activehigh)或逻辑低(activelow)。 这两种比较器模式的操作图如图13所示。 还可以将比较器配置为在连续读取的设置数量超过阈值寄存器中设置的阈值(Hithresh和Lothresh)之后才激活ALERT/RDY引脚。 配置寄存器中的COMP_QUE[1: 0]位将比较器配置为在激活ALERT/RDY引脚之前等待超过阈值的一个、两个或四个读数。 COMP_QUE[1: 0]位还可以禁用比较器功能,并将ALERT/RDY引脚置为高电平状态。 8.3.8转换就绪引脚(仅适用于ADS1014和ADS1015) ALERT/RDY引脚也可以配置为转换就绪引脚。 将Hi_thresh寄存器的最高有效位设置为1,将Lo_thresh寄存器的最高有效位设置为0,以使能这个引脚成为转换就绪引脚。 COMP_POL 位按预期继续发挥作用。 将COMP_QUE[1: 0]位设置为除11之外的任何2位值,以保持 ALERT/RDY引脚处于使能状态,并允许转换就绪信号出现在ALERT/RDY引脚输出中。 COMP_MODE和COMP_LAT位不再控制任何功能。 当配置为转换就绪引脚时,ALERT/RDY引脚需要一个上拉电阻。 连续转化模式中,在每次转换结束之后ADS101x的ALERT/RDY引脚提供一个大约8-μs转换就绪脉冲,如图14所示。 在单次转换模式下,如果COMP_POL位被 图13.连续转换模式下的转换就绪脉冲 8.3.9SMbus警报响应 在锁定比较器模式下(COMP_LAT=1,)当比较器检测到一个超过上下限阈值的转换数据时,ALERT/RDY引脚发出警报。 这个报警是锁定的,只能通过读取转换数据或通过成功发出SMBus 警报响应并读取报警设备的I2C地址来清除。 如果转换数据在清除后超过上限或下限阈值,则ALERT/RDY引脚重新警报。 此报警不影响已经在进行中的转换。 ALERT/RDY引脚是一个开 漏输出。 这种架构允许多个设备共享同一个接口总线。 当禁用时,引脚保持高电平状态,这样引脚就不会干扰同一总线上的其他设备。 当主机感知到ALERT/RDY引脚已经锁定时,主机向I2C总线发出SMBus警报命令(00011001)。 I2C总线上任何带有ALERT/RDY引脚的ADS1014和ADS1015数据转换器都可以使用从机地址响应该命令。 如果I2C总线上有多个ADS101x报警锁住ALERT/RDY引脚,那么SMBus警报 的地址响应部分中的仲裁将确定哪个设备清除报警。 然后,主机重复SMBus警报响应,直 到所有设备都清除了各自的报警。 在窗口比较器模式下,SMBus警报状态位表示如果信号超过高阈值为1,如果信号超过低阈值为0。 8.4设备功能模式 8.4.1复位和开机 ADS101x在开机时重置,并将配置寄存器中的所有位设置为相应的默认设置。 ADS101x在复 位过程完成后进入休眠状态。 设备接口和数字块处于活动状态,但不执行数据转换。 ADS101x的初始休眠状态可以缓解系统在通电过程中由于紧张的电源供应要求从而遇到浪涌的情况。 ADS101x响应I2C全呼复位命令。 当ADS101x接收到一个全呼复位命令(06h)时,将执行内部复位,就像设备上电一样。 8.4.2操作模式 ADS101x的工作模式有两种: 连续转换模式(continuous-conversion)或单次转换模式(single-shot)。 配置寄存器中的MODE位选择各自的操作模式。 8.4.2.1单次转换模式(Single-ShotMode)当配置寄存器中的MODE位设置为1时,ADS101x进入休眠状态,并操作于单次转换模式。 此休眠状态是首次电源上电时ADS101x的默认状态。 虽然休眠了,但是这些设备仍然可以 响应命令。 ADS101x一直处于休眠状态,直到配置寄存器中的操作状态(OS)位写入1。 当OS 位报警(asserted),设备大约在25μs上电重置OS位到0,并开始一次转换。 当转换数据准备好检索时,设备再次休眠。 在进行转换时向OS位写入1没有任何效果。 要切换到连续 转换模式,请将0写入配置寄存器中的MODE位。 8.4.2.2连续转换模式(Continuous-ConversionMode)在连续转换模式(MODE位设置为0)中,ADS101x连续执行转换。 当转换完成时,ADS101x将结果放入转换寄存器并立即开始另一个转换。 在写入新的配置设置时,当前正在进行的转换将使用前面设置的配置完成。 然后,开始新配置设置的连续转换。 若要切换到单次转换模式,请将1写入配置寄存器中的MODE位或重置设备。 8.4.3低功率周期性暂停(DutyCyclingForLowPow)er ΔΣADC噪声性能通常随着降低输出数据率而提高,因为更多内部调制器的样本平均产生一个转换结果。 在功耗很关键的应用中,可能不需要在低数据速率下提高噪声性能。 ADS101x支持周期性暂停,通过周期性地以有效的低数据率请求高数据率读数,可以显著节省电能.。 例如,数据速率设置为3300SPS的ADS101x在休眠状态下可以由微控制器操作,微控制器命令每7.8ms(128SPS)进行一次单次转换。 3300SPS的转换只需要大约0.3ms,因此ADS101x其余7.5ms进入休眠状态。 在这种配置中,ADS101x功耗大约是在连续转换模式下功耗的1/25。 占空比完全是任意的,由主控制器定义。 ADS101x提供了较低的数据率,但不实现周期性暂停,并在必要时提高噪声性能。 8.5编程 8.5.1I2C接口 ADS101x通过I2C接口通讯。 I2C是一个两条线的开漏通讯接口,支持多个设备和主机在同一条总线上。 设备只有通过他们自身拉低总线到地才能驱动总线,不能在总线高电平时驱动总线。 因此,总线需要上拉电阻,所以在没有设备驱动总线的时候,总线总是高电平。 这样一来就没有冲突。 如果两个设备同时驱动总线,也没有驱动争用。 总线上的通讯总是发生在两个设备之间,一个作为主机,一个作为从机。 主机个从机都可以读写,但是从机只能在主机的要求下读写。 所以I2C设备都可以作为主机或者从机,但是ADS101x只能作为从设备。 一条I2C总线包含两条线: SDA和SCL。 SDA传输数据;SCL提供时钟。 所有通过I2C传输的数据都是8位为一组。 当SCL低电平时,驱动SDA线来发送数据到I2C总线(低电平表示0,高电平表示1)。 SDA线数据准备完了之后,SCL线拉高然后拉低。 通过这样的脉冲,SDA把数据放到移位寄存器中。 如果总线保持空闲超过25ms,总线就超时。 I2C总线是双向的,即SDA线既接收数据又发送数据,当主机从从机读取数据时,从机驱动数据线,当主机向从机发送数据时,主机驱动数据线。 时钟线总是由主机驱动。 ADS101x不能作为主机所以也就无法驱动SCL时钟线。 绝大多数时候总线是空闲的,没有通讯发生,两根线都是高电平。 当通讯发生时,总线开始变化。 只有主机可以开始一次通讯,并建立开始条件。 正常情况下,数据线只有在时钟线低电平的情况下变化状态。 如果当数据线在时钟线高电平的情况下变化状态,那就说明是另一次通讯开始或结束条件。 建立开始条件需要当时钟线是高电平的情况下,数据线由高转低。 建立结束条件需要当时钟线高电平的情况下,数据线由低转高。 在建立了一个开始条件后,主机需要发送一个字节来指示和哪个设备通讯。 这字节叫地址字节。 I2C总线上的每一个设备都有唯一的一个7位地址来响应。 主机发送和地址字节一起的 还有一位来表示需要读还是写。 总线上发送的每一个字节(地址还是数据)都会被一个应答位应答。 当主机发送完一个字节(8个bit位)到从机之后,主机释放数据线等待从机应答,从机应答这个字节通过拉低数据线表示。 主机这时继续发送时钟脉冲记录这个应答。 同样的,当主机结束读取一个字节之后,主机拉低数据线表示应答给从机。 主机继续发送时钟脉冲记录这个应答。 时钟线总是由主机驱动。 如果主机试图与一个不在总线上的设备通讯,将会受到一个无应答,因为在那个地址上没有设备去拉低数据线来应答主机。 无应答表现为只要让数据线在应答周期内保持高电平就可以了。 当主机与从机结束通讯时,需要建立一个结束条件。 当结束条件建立后,总线又恢复空闲状态。 这时主机可以建立另一次开始条件。 当总线在被使用时建立一个开始条件被称为重复开始。 8.5.1.1I2C地址选择 ADS101x有一个地址脚(ADDR)用来配置这个设备的I2C地址。 这个脚可以连接到 GND,VDD,SDA,SC,L允许四种不同的地址选择,见表2。 ADDR地址脚上的状态将被连续不 断的采样。 优先使用GND,VDD,SCL。 如果用SDA来作为地址选择,那么在通讯时,时钟线变低后保持100ns低电平确保设备地址被正确解码。 表2.ADDR引脚连接和相应的从机地址 8.5.1.2I2C全呼 如果8位都是0,则ADS101x响应I2C全呼地址(0000000)。 设备应答全呼地址并在第二个字节中响应命令。 如果第二个字节是00000110(06h),ADS101x将重置内部寄存器并进入休眠状态。 8.5.1.3I2C速度模式 I2C总线有三种模式。 标准模式允许时钟频率超过10KHz;快速模式时钟频率超过400KHz; 高速模式(也就Hs模式)允许时钟频率超过3.4MHz。 ADS101x兼容这3种模式。 在标准模式或者快速模式下使用ADS101x不需要特殊的动作,但是使用高速模式必须要激活。 激活高速模式的方法为,在建立一次开始条件后发送一个特殊的地址字节00001xxx。 其中xxx专属于有高速模式的主机。 这个字节称为Hs主机代码,不同于其他地址字节,这个字节不表示读写。 ADS101x不应答这个字节;I2C规定中禁止应答Hs主机代码。 根据接收到的主机代码ADS101x切换到高速滤波器,通讯频率超过3.4MHz。 高速模式在下一次结束 条件后结束。 8.5.2从机模式操作 ADS101x可以作为从机接收器和从机发送器。 ADS101x不能驱动SCL时钟线。 8.5.2.1接收模式 在从机接收模式下,从主机传输到从机的第一个字节由7位设备地址和一个低R/W位组成。 主机传输的下一个字节是地址指针寄存器。 然后ADS101x应答收到的地址指针寄存器字节。 接下来的两个字节被写入寄存器地址指针位P[1: 0]中给出的地址。 ADS101x应答发送的每个 字节。 寄存器先发送最高有效字节,然后发送最低有效字节。 8.5.2.2发送模式在从传输模式下,主机传输的第一个字节是7位的从设备地址,然后是高R/W位。 这个字节将从机置于传输模式,并指示将取ADS101x。 从机传输的下一个字节是地址指针位P[1: 0] 中指示的寄存器的最高有效字节。 这个字节后面是来自主机的应答。 剩下的是从机发送的最低有效字节,然后由主机发出应答。 主机可以在任何字节之后通过不应答或发起一个开始或结束条件终止传输。 8.5.3读取或写入寄存器 从ADS101x访问一个特殊的寄存器,主机必须先写一个正确的值到地址指针寄存器的地址指向位P[1: 0]。 地址指针寄存器可以在发送从机地址字节和低R/W位并且成功收到应答之后 直接写。 地址指针寄存器被写之后,从机会应答,主机可以建立结束条件或者重复开始条件。 当读ADS101x时,发送正确的值到P[1: 0]来决定读哪个寄存器。 如果要读其他的寄存器,必须在地址指针寄存器之后重写一个值到P[1: 0]。 当没有额外的数据需要发送时,主机就可以建立结束条件了。 这时主机建立一个开始条件然后发送从机地址字节和一个高R/W位来开始读,取图22详细说明了这个时序。 如果需要重复的读取相同的寄存器,那就没必要频繁的发送地址指针寄存器,因为存储了P[1: 0]的值直到用写操作更改了它。 然而,每一次写操作,必须正确的写入地址指针寄存器的值。 1)A0和A1的值由ADDR引脚决定。 2)主机可以拉高SDA电平来终止单字节的读取操作。 3)主机可以拉高SDA电平来终止两个字节的读取操作。 4 图15.读取ADS101x的时序图 1)A0和A1的值由ADDR引脚决定。 图16.写入ADS101x的时序图 (1)A0和A1的值由ADDR引脚决定。 图17.SMBus警报响应的时序图 8.5.4数据格式 ADS101x以二进制2的补码格式提供12位数据,该补码格式在16位数据中保持左对齐。 A一个正的满量程(+FS)输入产生一个7FF0h的输出代码,一个负的满量程(-FS)输入产生一个8000h的输出代码。 Theoutputclipsatthesecodesforsignalsthatexceedfull-scale.表3概 述了不同信号产生的理想输出代码。 图18表示代码转换成与之相对应的输入电压。 表3.输入信号与相对应的理想输出代码 1)排除噪音的影响,INL,偏移和增益误差 图18.代码转换图 NOTE 单端信号测量,其中VAINN=0V,VAINP=0V~+FS,仅使
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