类比20位高性能ADC-ADX12x系列

　　ADX12X系列ADC是类比半导体响应市场需求，推出的一系列20bit ADC芯片。该系列20bit ADC分辨率比16bit ADC高，同时相对于24bit ADC，又提供较高的性价比。该系列ADC和类比广泛应用的16bit ADC ADX11X系列ADC P2P兼容，提供完美的升级替代。

　　ADX12X系列20bit ADC主要用于温度测量、热电偶测量、热敏电阻测量、便携式仪器、电池电压和电流监测、工厂自动化和过程控制等精度和分辨率要求较高的领域。

　　ADX12X系列提供测量 MSOP-10 封装或超小型无引线封装。ADX12X集成了可编程增益放大器(PGA)、电压基准、振荡器和高精 度温度传感器。这些特性以及 2V 至 5.5V 的宽电源范围使 ADX12X 非常适合功率受限和空间受限的传感器测量 应用。ADX12X输入多路复用器 (MUX)允许测量两个差分或四个单端输入。高精度温度 传感器可用于系统级温度监测或热电偶冷端补偿。ADX12X可以在连续转换模式下工作，也可以在转换后 自动关断的单次模式下工作。单次模式显著降低了空闲 期间的电流消耗。

　　ADX12X包括一系列产品

　　主要料号如下：

　　内部框图如下：

　　内部框图的工作原理：输入信号通过多路复用开关选择差分或者单端模式，进入PGA可编程放大器，然后经过PGA后进入20bits的△Σ转换模组，芯片自带基准源、振荡器及50/60Hz数字滤波器以抑制 50Hz和60Hz工频频率，数据转换完成后放入0x00 RESULT和0x01 RESULT EXTRA寄存器，通过SPI总线即可获取20位数据。

　　主要优势：

　　1.高精度

　　内部基准的初始精度和温度漂移，包含在gain误差和gain漂移中:

　　a) offset：差分+/-8LSB_MAX，单端+/-12LSB_TYP，温漂0.005LSB/℃，对于offset要求较高的产品，推荐使用差分配置，这样能最大程度上提高ADC的offset精度，降低offset的影响

　　b) 电源电压变化抑制4LSB/V

　　c) gain：误差0.07%_MAX，Gain温漂14ppm/ ℃

　　2.低噪声

　　μVRMS and μVPP at VDD = 3.3V

　　以常用的采样率581sps为例，在FSR为0.256V的时候，噪声37.4uVpp，FSR不变，采样率为10sps的时候，噪声为11.7uVpp，可见采样率越低，噪声越小。

　　3.内部集成温度sensor

　　ADX125/126集成的精密温度传感器，温度数据表示为在20位转换结果中左对齐的14位结果。数据从最高有效字节(MSB)开始输出。读取这两个数据字节时，前14位用于表示温度测量结果。一个14位LSB等于0.03125°C。负数以二进制补码格式表示。

　　要将数字代码转换为温度，首先检查 MSB 是 0 还是 1。如果 MSB 是 0，只需将十进制代码乘以 0.03125°C 即可获得结果。如果 MSB = 1，则从结果中减去1并对所有位取反。然后将结果乘以–0.03125°C

　　例如：器件回读 0960h：0960h 的 MSB = 0，0960h × 0.03125°C = 2400 × 0.03125°C = 75°C;器件回读 3CE0h：3CE0h 的 MSB = 1，减 1 补码结果：3CE0h 至 0320h，0320h × (–0.03125°C) = 800 × (–0.03125°C) = –25°C。

　　4.超低功耗

　　对于电池供电的便携式应用，超低功耗是其必须的需求。另外，为了降低功耗，还可以采用one-shot模式，采样完成后，芯片自动进入低功耗模式，等待主机启动下次采样。

　　5.小面积

　　采用小封装MSOP-10封装3mm*5mm，QFN-10封装1.5mm*2mm，对于面积有较高要求的场合，QFN封装非常适合。另外，ADX12X系列ADC内置MUX，方便于对外部多通道信号进行采样，而无须在外部增加新的MUX开关。

　　数据采集配置

　　转换器核心由一个差分开关电容 ΔΣ 调制器和一个数字滤波器组成

　　两种转换模式：单次模式和连续转换模式

　　单次模式和关断：MODE 位设置为 1 ，ADX122(Q)进入关断状态，并在单次模式下工作。保持此关断状态，直到将 1 写入 CONFIG REGISTER 中的单次(SS)位。当 SS 位有效时，ADC 启动，将 SS 位重置为 0，并开始单次转换。单次转换适用于采样率由上位机设定的场合，在这种情况下，采样率由单片机的定时器设定，比较灵活。

　　连续转换模式：MODE 位设置为 0，转换完成后,结果放入 CONVERSION REGISTER 并立即开始另一次转换。在连续转换模式下，即使/CS拉高，设备也会不断地开始新的转换。连续转换模式只能使用器件固有采样率，控制比较简单，不需要MCU参与控制，就可以完成转换。

　　输入转换范围

　　码值和电压的对应计算公式

　　二进制补码格式的 20 位数据，正满量程输入产生 7FFFFh 的输出代码，负满量程输入产生 80000h，同一数据传输周期内直接回读配置寄存器设置。

　　一个完整的数据传输周期由 80 位(使用配置寄存器数据回读时)或 20 位(仅当CS线可控且未永久保持低电平时使用)组成。

　　获取码值后，可以采取计算公式来获取电压值V=码值/满量程码值*满量程电压值。比如获取码值=0x3FFF，满量程电压选择1.024V，则计算得到被测电压值V=0.512V。

　　模拟采样通道配置

　　AIN3 通过调整多路复用器配置作为测量的公共点。AIN0、AIN1 和 AIN2 都可以相对于 AIN3 进行测量。相比单端AINx-GND，好处是支持双向差分，但不提供共模噪声衰减。

　　CONFIG_EXTRA 寄存器中的 IN_SHORT 位配置内部短路来校准offset及温漂。

　　噪声测试，也可使用内部短路方式。

　　提供可编程输出数据速率，DR[2:0]位选择 10SPS、20SPS、40SPS、158SPS、316SPS、581SPS、1761SPS 或 3571SPS 的输出数据速率。

　　数字滤波器抑制 50Hz 频率和 60Hz 频率，如果启用频率抑制滤波器，则输出数据速率应设置为 20SPS，任何其他输出数据速率均无效。

　　转换在单个周期内稳定，转换时间等于 1 / DR

　　ADX122(Q)启动时默认关断状态。设备接口和数字块处于工作状态，但不执行任何数据转换。从上电到准备就绪需要 500µs。

　　SPI通信协议

　　片选/CS：多SPI设备时，定期拉低/CS，DOUT/DRDY引脚要么立即变高表示没有新数据可用，要么立即变低，表示新数据存在于 CONVERSION REGISTER 中并可用于传输。当CS为高电平时，DOUT/DRDY默认配置弱内部上拉电阻，要禁用此上拉电阻并将设备置于高阻抗状态，将 CONFIG REGISTER 中的 PULL_UP_EN 位设置为 0。

　　SCLK保持低电平 28ms，串行接口复位，下一个SCLK 脉冲开始一个新的通信周期。接口空闲时，保持 SCLK为低电平。SCLK 下降沿锁存 DIN 上的数据。

　　DOUT/DRDY上的数据在 SCLK 上升沿移出，MSB在前，当新数据准备好检索时，此引脚变为低电平。如果没有检索到数据，DOUT/DRDY在下一个数据就绪信号前8μs 再次变为高电平。

　　80 位数据由四个字节组成：两个字节转换结果，两个字节 CONFIG REGISTER回读，在 80 位传输周期的前两个字节中写入的配置寄存器设置在同一周期的最后两个字节中被读回。对于单片机而言，80bit 模式是操作比较方便的，通过发送10个字节，即可以完成数据的读取。

　　20位数据传输，如果不需要回读配置 CONFIG REGISTER，转换数据可以在20 位数据传输周期内同步输出。传输完成20bits数据后需要将/CS拉高。

　　前端传感器开路/短路检测功能

　　两个恒流发生器，可编程为 0.5μA、2μA 或 10μA。一个发生器从 AVDD 向 AINP 提供电流，一个从 AINN向 AVSS 吸收电流。

　　寄存器中的 SDCS[1:0]位启用/禁用断线检测电流以及电流大小。对通道进行测量之前，使用这些电流来验证外部传感器开路/短路，如果测得的结果电压接近满量程可能前端传感器开路。如果测得的电压为 0V，则可能是前端传感器短路。

　　典型应用图

　　差分输入支持SPI配置端口：AIN0-AIN1，AIN0-AIN3，AIN1-AIN3，AIN2-AIN3;

　　VDD极限范围-0.3~5.5V，推荐2-5V;关机电流3.5uA_MAX，工作电流250uA_MAX

　　模拟输入滤波:

　　设计抗混叠低通滤波的截止频率= 0.5*fMOD ，以保证滤波器能够滤除> 0.5*fMOD的噪声，ADX122Q的fMOD =250KHz，输入抗混叠滤波器截至频率=0.5*250KHz=125KHz

　　设计注意事项以及调试

　　输入通道的选择要注意差分通道只能选择AIN0-AIN1, AIN0-AIN3, AIN1-AIN3，AIN2-AIN3, 单端通道没有限制;

　　输入差分采用差分走线，靠近芯片采样输入脚预留RC差模和共模滤波;

　　DOUT/DRDY复用，可以分别连接到MCU的中断引脚和数字输入脚。

　　总结

　　本文详细介绍了基于类比半导体高性能20位模数转换器ADX12x系列，ADX12x的卓越噪声性能、宽输入范围、高精度温度传感器以及低功耗特性，使其成为温度测量、电池电压和电流等监测的理想选择。ADX12x的推出丰富了类比半导体在模拟和数模混合芯片领域的产品线。ADX12X系列ADC凭借其高性能、灵活性和成本效益，将助力客户实现更高效、更智能采样系统成为可能。