一种ENOB达23位的ADC应用研究

廖 斌 ，庹先国 ，2，王洪辉 ，奚大顺 ，徐少波

（1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059；2.西南科技大学核废物与环境安全国防重点学科实验室，绵阳 621010）

在现代数据采集中，A/D转换器的转换精度对测量系统的性能有着决定性的影响。对更高转换精度的需求促使设计者从传统的12位逐次逼近寄存器 （SAR）ADC转至分辨率高达24位的Δ-ΣADC。而有效位数 ENOB（effective number of bits）经常被用来表征转换精度的特性[1]。目前大多数24位分辨率的A/D转换器实际使用中ENOB（有效位数）甚至很难达到20位[2]，难以满足高精密测量仪器的要求。本文利用德州仪器公司推出的基于Δ-Σ技术的ADC-ADS1255[3]，实现了具有高达 23位的ENOB。笔者结合自己的应用经验对该ADC高精度测量的实现做了详细的介绍。

1 ADS1255简介

ADS1255具有24位的分辨率，内部集成了三路输入模拟开关、输入缓冲器、可编程增益放大器、可编程数字滤波器等。该模数转换器采用模拟电压5 V、数字电压（1.8～3.3）V供电，数据采样率最大30 kSPS；内部有11种独立控制寄存器，用户可以通过SPI接口对寄存器配置，从而得到不同的A/D采样速率、采样方式、A/D转换精度等。图1所示是ADS1255的内部结构框图。

图1 ADS1255内部结构图Fig.1 Block diagram of the ADSl255

2 硬件测量电路

2.1 ADS1255电路的设计

图2 ADS1255应用电路Fig.2 Application circuit of the ADSl255

高性能的外围电路设计能充分发挥ADS1255的无噪声精度[4]。如图2所示是ADS1255的应用电路图。ADS1255的SCLK、DIN、DOUT和DRDY引脚与单片机（MCU）的SPI接口相连，同时在每一根数据线中串联100 Ω的电阻以限制输出电流，两根数据输入线SCLK、DIN旁路510 pF的电容增加抗干扰能力。电压基准使用具有极低的噪声和温漂的2.5 V基准源芯片AD580M，输入端用RC低通滤波器来限制高频噪声。主时钟由两个15 pF的接入电容配合7.68 M的晶振完成。ADC输入端AIN0，AIN1添加一个RC阻容网络以更好的驱动ADC并去除电路中的尖刺信号。3.3 V数字电源与单片机的供电电源连接，模拟电源和数字电源的输入端分别并联一个0.1 uF的陶瓷电容和一个l0 uF的钽电容，数字地和模拟地用1 mH的电感进行隔离。

2.2 低噪声正负电源的设计

在实际的测量中，电源是一个影响精度的重要因素，为了减少其影响，设计一个超低噪声的正负电源至关重要。这里使用AD580M产生高精度的2.5 V基准电压，利用高性能的运放LM158将电压放大2倍到±5 V，并在运放输出端进行LC滤波，形成精密基准电源为ADS1255、抗混叠滤波器、单端转差分电路供电。图3是低噪声正负电源的电路。

图3 低噪声正负电源电路Fig.3 Circuit of low noise positive and negative power

2.3 抗混叠滤波器设计

输入信号中可能存在高次谐波成分，电路中使用低噪声运算放大器LTU2252构成抗混叠滤波器，截止频率约为10 Hz，可有效滤除输入信号中的噪声得到纯净的直流信号。图4是抗混叠滤波器的电路图。

图4 抗混叠滤波器电路Fig.4 Circuit of anti-aliasing filter

2.4 单端转差分电路设计

ADS1255的三路模拟输入端可以将其配置为2路单极输入或者1路差动输入。对于单极性信号测量只需将图2中AIN-接地、AIN+接抗混叠滤波器形成伪差分输入电路即可，在测量双极性信号时需在抗混叠滤波器后加入THS4131构成的单端转差分电路。图5是单端转差分的电路图。电路中RF、RG选用0.1%的精密电阻，增益G=RF/RG=1，VCOM接图2中AD580提供的精密2.5 V电压基准。由于运算放大器限幅的原因，本设计中ADC的单端输入时电压范围为0 V～+2.5 V，差分输入时电压范围为-2.5 V～+2.5 V。

图5 单端转差分电路Fig.5 Circuit of single-ended to differential

3 软件设计

在ADS1255使用前需先通过写独立控制寄存器进行初始化，这些寄存器包括数据速度寄存器DRATE、状态寄存器STATUS、模拟多路开关寄存器MUXAD和控制寄存器ADCON。要提高的A/D转换精度，ADC的采样速率必须尽可能地低，设置DRATE仅为2.5SPS，同时要使能自动校准、输入缓冲器。默认情况下，ADS1255被配置为差分输入（AIN0为正差分输入通道，通道AIN1为负差分输入端），可编程增益放大器的放大倍数PGA=1，因此不再设置MUXAD和ADCON。C51的初始化代码如下：

4 ENOB测试

采用IEEE标准提供的方法对ADC进行测试，要求信号源的精度比被测ADC的精度高。对于高精度ADC，需要更高精度的信号源。而利用电路内部噪声的测试方法对高精度的ADC进行测试，不需要高精度信号源，测试速度更快[5-7]。本文将信号输入端进行单端接地、单端接基准、差分接地和差分接基准四种输入方式分别连续测量10个数据，依据式（1）计算出噪声的均方根值（RMSnoise），依据式（2）算得A/D的ENOB（有效位数）。测试条件是将测试电路置于密闭的铝制屏蔽盒中进行，以保持环境温度的稳定，避免外界干扰。ADC测得数据如表1所示。

式中：FS为满量程幅度；RMSnoise为噪声的均方根值。

表1 ENOB测试结果Tab.1 Test results of ENOB

根据测试结果，单端接地、差分接地时的ENOB分别达到了22.87、22.85位。单端接基准、差分接基准ENOB分别为22.51、22.61。

另外笔者在进行单端测量时发现对于-20 mv～0 mv的信号，ADS1255也能进行高精度的测量。因此测量微小负信号时，也可使用单端测量。

5 结语

本文重点阐述了ADS1255实现高精度测量的应用设计及测试方法，对该类器件的应用提供了参考，具有一定的实用性。在提高ADS1255电路的测量精度和稳定性时需注意几点：电路各部分的数字电源和模拟电源要使用精密基准电源，输入端靠近并联一个小的陶瓷电容和一个大的钽电容；模拟地和数字地要进行隔离；ADS1255的数据输入导线必须尽可能短并且需要滤波；采样速率越低，芯片产生的噪声越小；软件上对数据的多次平均值滤波有利于得到更稳定的数据；在电路测试时电路必须置于无外界干扰的环境，如：在测试电路外加屏蔽盒。

[1] Steve Logan.理解ADC的噪声、ENOB及有效分辨率[J].电子设计技术，2012，19（8）：43-46.

[2] 王曙光.提高ADC分辨率的电路设计[J].机床与液压，2007，35（7）：201-202.

[3] Texas Instruments.ADS1255/ADS1256：Very Low Noise，24-Bit Analog-to-Digital Converter[Z].http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/ads1255.pdf

[4] 黄争.数据转换器应用手册基础知识篇[M].北京：电子工业出版社，2010.

[5] 郝志刚，杨海钢.高精度ADC有效精度的测试方法[J].半导体技术，2010，35（3）：269-276.

[6] KESTER W.Practicaldesign techniques for sensor signal conditions[M].USA：Analog Device，1999.

[7] 张志强，阮黎婷，倪涛，等.ADC模数转换器有效位计算[J].电子科技，2010，23（3）：84-110. ■