采用I2C总线的ADS1100型16位模/数转换器的设计

　　ADS1100是采用2.7V～5.5V单电源供电的连续自校准模/数（A/D）转换器。它具有分辨率、接口简单、比例放大、功耗低、体积小等优点。ADS1100采用电源电压为基准电压，可按比例进行A/D转换，同时带有差分输入且具有高达16位的分辨率。

　　ADS1100每秒可采样8、16、32或128次以进行A/D转换，并提供I2C端口与外部通信。片内可编程增益放大器（PGA）能提供高达8倍的增益，允许对小信号进行测量。ADS1100有二种工作方式：单周期转换方式和连续周期转换方式。在单周期转换方式中，ADS1100进行一次A/D转换后将自动掉电以减少电流消耗。

　　ADS1100的主要特点如下：

　　·16位无漏码；

　　·可连续自校准；

　　·带有可编程增益放大器（增益=1、2、4或8）；

　　·可编程数据速率为8s/s～128s/s；

　　·带有I2C端口；

　　·电源电压范围为2.7V～5.5V；

　　·低电流消耗（90μA）。


1 引脚功能和内部结构

　　1．1 引脚功能

　　ADS1100的引脚排列如图1所示，采用小型SOT23-6封装，各引脚的功能如下所述。

　　引脚1（VIN+）：差分信号正输入端；

　　引脚2（GND）：地线；

　　引脚3（SCL）：串行时钟输入端；

　　引脚4（SDA）：串行数据输入/输出端；

　　引脚5（VDD）：+5V电压输入端；

　　引脚6（VIN-）：差分信号负输入端。



　　1．2 内部结构

　　ADS1100的内部结构框图如图2所示。由图可知，ADS1100由一个带有可调增益的Δ-∑模/数转换器核、一个时钟发生器一个I2C接口组成。ADS1100的模/数转换器核由差分开关电容Δ-∑调节器和数字滤波器组成。调节器用来测量正模拟输入和负模拟输入的压差，并将其与基准电压相比较。数字滤波器从调节器接收高速位流。并输出一个代码。该代码是一个与输入电压成比例的数字。考虑到调节器的增益和偏移误差的影响，ADS1100内部集成了自校准电路，以进行自动补偿。

　　2 ADS1100的内部寄存器

　　ADS1100内有二个寄存器：输出寄存器和匹配寄存器，它们均可通过I2C端口访问。输出寄存器内含上一次A/D转换的结果；配置寄存器允许用户改变ADS1100的工作方式并查询电路的状态。



　　2．1 输出寄存器

　　16位输出寄存器中含有上一次A/D转换的结果，该结果采取二进制的补码格式。在复位或上电之后，输出寄存器被清零，并保持为0直到第一次A/D转换完成。输出寄存器的格式如表1所示。

　　表1 输出寄存器



　　2．2 配置寄存器

　　8位配置寄存器用来控制ADS1100的工作方式、数据速率和可编程增益放大器（PGA）设置。配置寄存器的默认设置是8CH，具体模式如下：



　　其中ST/BSY位表示它是被写入还是被读出。在单周期转换方式中，写“1”到ST/BSY位则导致转换的开始，写“0”则无影响。在连续方式中，ADS1100将忽略ST/BSY的值。

　　在单周期转换方式中读地，ST/BSY表明模/数转换器是否忙于进行一次转换。如果ST/BSY被读作“1”，则表明目前模/数转换器忙，转换正在进行；如果被读作“0”，则表明目前没有进行转换，且上一次的转换结果存于输出寄存器中。在连续方式中，ST/BSY总是被读作“1”。



　　位6和位5为保留位，必须被置为“0”。

　　SC位用于控制ADS1100的工作方式。当SC为“1”时，ADS1100以单周期转换方式工作；当SC为“0”时，ADS1100以连续转换方式工作。该位的默认设置为0。

　　位3和位2（DR位）用于控制ADS1100的数据速率，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的增益设置，控制方式如表3所列。

　　表3 PGA位



　　3 ADS1100读写操作

　　3．1 ADS1100的读操作

　　用户可从ADS1100中读出输出寄存器和配置寄存器的内容。但为此要对ADS1100寻址，并从器件中读出3个字节。前面的2个字节是输出寄存器的内容，第三个字节是配置寄存器的内容。

　　从AD1100中读取多于3个字节的值是无效的。从第四个字节开始的所有字节将为FFH。ADS1100的读操作时序如图3所示。



　　3．2 ADS1100的写操作

　　用户可写新的内容至配置寄存器（但不能更改输出寄存器的内容）。为了做到这一点，要对ADS1100寻址以进行写操作，并对ADS1100配置寄存器写入一个字节。对ADS1100的写操作时序如图4所示。

　　4 应用电路

　　图5是ADS1100在某测力计中的具体应用电路。根据设计要求，传感器的输出信号需要进行转换和放大，本系统采用低失调和低漂移的OP07运算放大器进行前级信号的放大和转换，同时通过TL062进行二级放大及零输入调整。为了提高输入信号的稳定性，应将信号通过LM310射极跟随器传递到ADS1100的差分信号输入端。