采用I2C總線的ADS1100型16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計

　　ADS1100是采用2.7V～5.5V單電源供電的連續(xù)自校準模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器。它具有分辨率、接口簡單、比例放大、功耗低、體積小等優(yōu)點。ADS1100采用電源電壓為基準電壓，可按比例進行A/D轉(zhuǎn)換，同時帶有差分輸入且具有高達16位的分辨率。

　　ADS1100每秒可采樣8、16、32或128次以進行A/D轉(zhuǎn)換，并提供I2C端口與外部通信。片內(nèi)可編程增益放大器（PGA）能提供高達8倍的增益，允許對小信號進行測量。ADS1100有二種工作方式：單周期轉(zhuǎn)換方式和連續(xù)周期轉(zhuǎn)換方式。在單周期轉(zhuǎn)換方式中，ADS1100進行一次A/D轉(zhuǎn)換后將自動掉電以減少電流消耗。

　　ADS1100的主要特點如下：

　　·16位無漏碼；

　　·可連續(xù)自校準；

　　·帶有可編程增益放大器（增益=1、2、4或8）；

　　·可編程數(shù)據(jù)速率為8s/s～128s/s；

　　·帶有I2C端口；

　　·電源電壓范圍為2.7V～5.5V；

　　·低電流消耗（90μA）。


1 引腳功能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　1．1 引腳功能

　　ADS1100的引腳排列如圖1所示，采用小型SOT23-6封裝，各引腳的功能如下所述。

　　引腳1（VIN+）：差分信號正輸入端；

　　引腳2（GND）：地線；

　　引腳3（SCL）：串行時鐘輸入端；

　　引腳4（SDA）：串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端；

　　引腳5（VDD）：+5V電壓輸入端；

　　引腳6（VIN-）：差分信號負輸入端。



　　1．2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　ADS1100的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。由圖可知，ADS1100由一個帶有可調(diào)增益的Δ-∑模/數(shù)轉(zhuǎn)換器核、一個時鐘發(fā)生器一個I2C接口組成。ADS1100的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器核由差分開關(guān)電容Δ-∑調(diào)節(jié)器和數(shù)字濾波器組成。調(diào)節(jié)器用來測量正模擬輸入和負模擬輸入的壓差，并將其與基準電壓相比較。數(shù)字濾波器從調(diào)節(jié)器接收高速位流。并輸出一個代碼。該代碼是一個與輸入電壓成比例的數(shù)字。考慮到調(diào)節(jié)器的增益和偏移誤差的影響，ADS1100內(nèi)部集成了自校準電路，以進行自動補償。

　　2 ADS1100的內(nèi)部寄存器

　　ADS1100內(nèi)有二個寄存器：輸出寄存器和匹配寄存器，它們均可通過I2C端口訪問。輸出寄存器內(nèi)含上一次A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果；配置寄存器允許用戶改變ADS1100的工作方式并查詢電路的狀態(tài)。



　　2．1 輸出寄存器

　　16位輸出寄存器中含有上一次A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，該結(jié)果采取二進制的補碼格式。在復(fù)位或上電之后，輸出寄存器被清零，并保持為0直到第一次A/D轉(zhuǎn)換完成。輸出寄存器的格式如表1所示。

　　表1 輸出寄存器



　　2．2 配置寄存器

　　8位配置寄存器用來控制ADS1100的工作方式、數(shù)據(jù)速率和可編程增益放大器（PGA）設(shè)置。配置寄存器的默認設(shè)置是8CH，具體模式如下：



　　其中ST/BSY位表示它是被寫入還是被讀出。在單周期轉(zhuǎn)換方式中，寫“1”到ST/BSY位則導(dǎo)致轉(zhuǎn)換的開始，寫“0”則無影響。在連續(xù)方式中，ADS1100將忽略ST/BSY的值。

　　在單周期轉(zhuǎn)換方式中讀地，ST/BSY表明模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是否忙于進行一次轉(zhuǎn)換。如果ST/BSY被讀作“1”，則表明目前模/數(shù)轉(zhuǎn)換器忙，轉(zhuǎn)換正在進行；如果被讀作“0”，則表明目前沒有進行轉(zhuǎn)換，且上一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果存于輸出寄存器中。在連續(xù)方式中，ST/BSY總是被讀作“1”。



　　位6和位5為保留位，必須被置為“0”。

　　SC位用于控制ADS1100的工作方式。當SC為“1”時，ADS1100以單周期轉(zhuǎn)換方式工作；當SC為“0”時，ADS1100以連續(xù)轉(zhuǎn)換方式工作。該位的默認設(shè)置為0。

　　位3和位2（DR位）用于控制ADS1100的數(shù)據(jù)速率，其控制方式如表2所列。

　　表2 DR位



　　位1和0（PGA位）用于控制ADS1100的增益設(shè)置，控制方式如表3所列。

　　表3 PGA位



　　3 ADS1100讀寫操作

　　3．1 ADS1100的讀操作

　　用戶可從ADS1100中讀出輸出寄存器和配置寄存器的內(nèi)容。但為此要對ADS1100尋址，并從器件中讀出3個字節(jié)。前面的2個字節(jié)是輸出寄存器的內(nèi)容，第三個字節(jié)是配置寄存器的內(nèi)容。

　　從AD1100中讀取多于3個字節(jié)的值是無效的。從第四個字節(jié)開始的所有字節(jié)將為FFH。ADS1100的讀操作時序如圖3所示。



　　3．2 ADS1100的寫操作

　　用戶可寫新的內(nèi)容至配置寄存器（但不能更改輸出寄存器的內(nèi)容）。為了做到這一點，要對ADS1100尋址以進行寫操作，并對ADS1100配置寄存器寫入一個字節(jié)。對ADS1100的寫操作時序如圖4所示。

　　4 應(yīng)用電路

　　圖5是ADS1100在某測力計中的具體應(yīng)用電路。根據(jù)設(shè)計要求，傳感器的輸出信號需要進行轉(zhuǎn)換和放大，本系統(tǒng)采用低失調(diào)和低漂移的OP07運算放大器進行前級信號的放大和轉(zhuǎn)換，同時通過TL062進行二級放大及零輸入調(diào)整。為了提高輸入信號的穩(wěn)定性，應(yīng)將信號通過LM310射極跟隨器傳遞到ADS1100的差分信號輸入端。