基于ADS1259的高精度采集系統設計

ADS1259的調制器是一個高性能、固有穩定的4階△-∑調制器，該調制器將待測差分輸入信號VIN(其中VIN=VAINP-VAINN)與基準電壓VREF(其中VREF=VVREFP-VVREFN)相比較，輸出經可編程數字濾波器濾波和校準能變成高精度的數字輸出。ADS1259通過設置寄存器CONFIG1[7：6] (FLAG位和CHKSUM位)來決定是否輸出過量程檢測結果和校驗結果，當CONFIG1[7：6]=11時，輸出結果為32位數據，后8位為校驗和CHECKSUM，并且CHECKSUM的最高位代表是否過量程標志位；當CONFIG1[7：6]=01時，輸出結果仍為32位數據，后8位為校驗和CHECKSUM，此時無過量程標志位；當CONFIG1[7：6]=10時，輸出結果為24位數據，最后一位BIT代表是否過量程標志位，無校驗和；當CONFIG1[7：6]=00時，輸出結果為24位數據，此時無過量程標志位和校驗和。
ADS1259芯片的基準電壓可以選擇芯片內部產生2．5V的參考源或者外接參考源，如果設置2．5V電壓輸出，則需要在REFOUT和AVSS兩引腳間接1μF電容；基準電壓采用外接參考源時，需要在VREFP和VREFN兩引腳間接1μF電容。數字濾波器有兩個級聯的濾波器組成：一個五級sinc濾波器和一個可編程選擇的濾波器。ADS1259的主時鐘可以由外部晶振、外部時鐘發生器或內部時鐘振蕩器提供，如果主時鐘由一個外部晶振產生，在PCB布線時，晶振應該盡量地靠近ADS1259。
ADS1259有兩種控制方式控制芯片啟動和停止轉換：1)通過START引腳控制，上升沿有效，表示啟動AD數據轉換，知道引腳來下降沿才表示轉換結束，低電平表示停止工作：2)也可以通過發送START和STOP命令來控制ADS1259。
圖3為本文設計的基于ADS1259的高精度采集系統電路。

ADS1259是高精度的AD轉換器，為了得到最佳的轉換結果，在應用期間要注意外圍電路和印刷電路板設計。要為ADS1259提供高精度、低噪聲、低溫漂的基準電壓，或者由芯片內部提供基準電壓。在模擬電源和數字電源的輸入端一般要并聯一個旁路電容和一個去耦電容，防止電源波動對ADS1259的性能造成影響，注意電容要盡量靠近引腳。模擬電源地和數字電源地應采用單點連接，避免模擬地和數字地之間有電壓存在。另外，在使用ADS1259時，還應注意以下幾點：1)模擬電源和數字電源分別供電，并且模擬地和數字地單點連接；2)為ADS1259選取高質量的基準電壓源，基準電壓源的噪聲和漂移都會影響采集系統的性能；3)應將輸入端前的RC濾波器盡可能地靠近ADS1259，降低干擾；4)如果采用外部晶振，也要靠近ADS1259，晶振典型值為7．3728MHz，接入電容為18pF；5)PCB布線時，信號走線盡量不換層，減少干擾；6)在設計電路板布線時，應盡可能地讓差分信號兩條線長度相等，元器件盡可能靠近，防止電磁干擾。
為了提高采集信號的質量、有效去除環境造成的噪聲干擾，將前端信號通過前端濾波網絡送入儀表放大器，接入方式采用差模輸入方式。PGA280是一款高精度，具有數字可控制增益和信號完整性測試能力。該器件擁有低失調、接近于零的失調以及增益漂移、優異的線性度，并且幾乎沒有1／f噪聲，并提供了出色的共模及電源抑制性能。PGA280可以通過編程使兩個差分輸入信號交替放大輸出，還可以通過設置GPIO口來擴展功能。
PGA280輸出的差分信號經過RC低通濾波器進入ADS1259模數轉換器，R1和R2兩個電阻盡可能靠近ADS1259，外接7．3728MHz晶振。基準參考電源對數據轉換有直接的影響，低噪聲、低溫漂和高精度的基準參考電壓源就顯得十分必要，可以選用REF5025作為參考電壓源，3ppm的低溫漂、0．05％的高精度和3μV／V的低噪聲，能很好的提供了基準參考電壓。
儀表運放PGA280和ADS1259都是SPI接口，控制器可以通過CS_AD和CS_PGA選擇通信的器件，首先拉低CS_PGA來配置PGA280的寄存器，設置放大倍數和選擇通道；再拉高CS_PGA，拉低CS_AD來對ADS1259進行初始化設置，主要設置CONFIG0～3三個寄存器。

4 結束語
本文設計并實現了一種基于ADS1259的高精度采集系統。為滿足ADS1259的采集范圍要求，該系統借助可編程增益儀表放大器PGA280實現輸入微弱信號的差分放大以及噪聲信號的有效抑制。經實測，該系統具有線性度高、漂移低、低功耗等一系列特點，是高精度采集處理的一種高效可行的解決方案。