ZHCSBH5D May   2013  – May 2026 ADS1220

PRODUCTION DATA  

  1.   1
  2. 1 特性
  3. 2 应用
  4. 3 说明
  5. 4 器件比较表
  6. 5 引脚配置和功能
  7. 6 规格
    1. 6.1 绝对最大额定值
    2. 6.2 ESD 等级
    3. 6.3 建议运行条件
    4. 6.4 热性能信息
    5. 6.5 电气特性
    6. 6.6 SPI 时序要求
    7. 6.7 SPI 开关特性
    8. 6.8 时序图
    9. 6.9 典型特性
  8. 7 参数测量信息
    1. 7.1 噪声性能
  9. 8 详细说明
    1. 8.1 概述
    2. 8.2 功能方框图
    3. 8.3 特性说明
      1. 8.3.1  多路复用器
      2. 8.3.2  低噪声 PGA
        1. 8.3.2.1 PGA 共模电压要求
        2. 8.3.2.2 旁路 PGA
      3. 8.3.3  电压基准
      4. 8.3.4  时钟源
      5. 8.3.5  调制器
      6. 8.3.6  数字滤波器
      7. 8.3.7  输出数据速率
      8. 8.3.8  激励电流源
      9. 8.3.9  低侧电源开关
      10. 8.3.10 传感器检测
      11. 8.3.11 系统监控器
      12. 8.3.12 偏移校准
      13. 8.3.13 温度传感器
        1. 8.3.13.1 从数字代码转换为温度
    4. 8.4 器件功能模式
      1. 8.4.1 上电和复位
      2. 8.4.2 转换模式
        1. 8.4.2.1 单次转换模式
        2. 8.4.2.2 连续转换模式
      3. 8.4.3 工作模式
        1. 8.4.3.1 正常模式
        2. 8.4.3.2 占空比模式
        3. 8.4.3.3 Turbo 模式
        4. 8.4.3.4 断电模式
    5. 8.5 编程
      1. 8.5.1 串行接口
        1. 8.5.1.1 片选 (CS)
        2. 8.5.1.2 串行时钟 (SCLK)
        3. 8.5.1.3 数据就绪 (DRDY)
        4. 8.5.1.4 数据输入 (DIN)
        5. 8.5.1.5 数据输出和数据就绪 (DOUT/DRDY)
        6. 8.5.1.6 SPI 超时
      2. 8.5.2 数据格式
      3. 8.5.3 命令
        1. 8.5.3.1 RESET (0000 011xb)
        2. 8.5.3.2 START/SYNC (0000 100xb)
        3. 8.5.3.3 POWERDOWN (0000 001xb)
        4. 8.5.3.4 RDATA (0001 xxxxb)
        5. 8.5.3.5 RREG (0010 rrnnb)
        6. 8.5.3.6 WREG (0100 rrnnb)
      4. 8.5.4 读取数据
      5. 8.5.5 发送命令
      6. 8.5.6 连接多个器件
    6. 8.6 寄存器映射
      1. 8.6.1 配置寄存器
      2. 8.6.2 寄存器说明
        1. 8.6.2.1 配置寄存器 0（地址 = 00h）[复位 = 00h]
        2. 8.6.2.2 配置寄存器 1（地址 = 01h）[复位 = 00h]
        3. 8.6.2.3 配置寄存器 2（地址 = 02h）[复位 = 00h]
        4. 8.6.2.4 配置寄存器 3（地址 = 03h）[复位 = 00h]
  10. 9 应用和实施
    1. 9.1 应用信息
      1. 9.1.1 串行接口连接
      2. 9.1.2 模拟输入滤波
      3. 9.1.3 外部基准与比例式测量
      4. 9.1.4 建立适当的共模输入电压
      5. 9.1.5 未使用的输入和输出
      6. 9.1.6 伪代码示例
    2. 9.2 典型应用
      1. 9.2.1 K 型热电偶测量（-200°C 至 +1,250°C）
        1. 9.2.1.1 设计要求
        2. 9.2.1.2 详细设计过程
        3. 9.2.1.3 应用曲线
      2. 9.2.2 3 线 RTD 测量（–200°C 至 +850°C）
        1. 9.2.2.1 设计要求
        2. 9.2.2.2 详细设计过程
          1. 9.2.2.2.1 2 线和 4 线 RTD 测量的设计变体
        3. 9.2.2.3 应用曲线
      3. 9.2.3 电阻式电桥测量
        1. 9.2.3.1 设计要求
        2. 9.2.3.2 详细设计过程
    3. 9.3 电源相关建议
      1. 9.3.1 电源排序
      2. 9.3.2 电源斜率
      3. 9.3.3 电源去耦
    4. 9.4 布局
      1. 9.4.1 布局指南
      2. 9.4.2 布局示例
  11. 10器件和文档支持
    1. 10.1 文档支持
      1. 10.1.1 相关文档
    2. 10.2 接收文档更新通知
    3. 10.3 支持资源
    4. 10.4 商标
    5. 10.5 静电放电警告
    6. 10.6 术语表
  12. 11修订历史记录
  13. 12机械、封装和可订购信息

9.2.1.2 详细设计过程

偏置电阻器 RB1 和 RB2 用于将热电偶的共模电压设置到 PGA 的额定共模电压范围内（在本例中，设置为 1/2 Vs，即 AVDD/2）。如果应用要求将热电偶偏置到 GND，则要么必须为器件使用双极电源（例如，AVDD = 2.5V，AVSS = –2.5V）以满足 PGA 的共模电压要求，要么必须旁路 PGA。在选择偏置电阻值时，必须注意确保偏置电流不会降低测量精度。偏置电流流经热电偶，可能导致自热效应及热电偶引线上的额外压降。偏置电阻器的典型阻值范围为 1MΩ 至 50MΩ。

除了为热电偶提供偏置外，RB1 和 RB2 还可用于检测热电偶引线是否开路。当其中一根热电偶引线发生开路故障时，偏置电阻器会分别将模拟输入端（AIN0 和 AIN1）拉至 AVDD 和 AVSS。ADC 将因此读取到一个满量程值，该值超出热电偶电压的正常测量范围，从而指示该故障状态。

尽管器件的数字滤波器会衰减噪声的高频分量，但在输入端提供一阶无源 RC 滤波器仍可进一步改善性能。方程式 16 计算由 RF1、RF2 和差分电容器 CDIF 构成的差分 RC 滤波器所产生的截止频率。

方程式 16. fC = 1 / [2π × (RF1 + RF2) × CDIF]

还添加了两个共模滤波电容器（CM1 和 CM2），以提供对高频共模噪声分量的衰减。所选的差分电容 CDIF 应至少比共模电容（CM1 和 CM2）大一个数量级（10 倍），因为共模电容的失配可能会将共模噪声转化为差分噪声。

滤波电阻器 RF1 和 RF2 也可用作限流电阻器。如果输入端发生过压，这些电阻器可将流入器件模拟输入端（AIN0 和 AIN1）的电流限制在安全水平。选择滤波电阻值时必须谨慎，因为流入和流出器件的输入电流会在电阻器上产生压降。该压降会表现为 ADC 输入端的额外偏移电压误差。如果可能，请将滤波电阻值限制在 1kΩ 以下。

本设计中使用的滤波元件值如下：RF1 = RF2 = 1kΩ，CDIF = 100nF 且 CCM1 = CCM2 = 10nF。

当通过选择尽可能高的增益，使最大可能输入信号与 ADC 的满量程范围 (FSR) 相匹配时，可实现最高的测量分辨率。根据设计要求，使用冷端温度 TCJ = 0°C 时，根据美国国家标准与技术研究院 (NIST) 发布的表格的定义，最大热电偶电压出现在 TTC = 1,250°C 时，为 VTC = 50.644mV。热电偶产生的输出电压与热电偶尖端和冷端之间的温差成正比。如果冷端温度低于 0°C，热电偶将产生大于 50.644mV 的电压。等温块区域受限于器件的工作温度范围。因此，等温块温度限制为 –40°C。当冷端温度为 TCJ = –40°C 时，TTC = 1,250°C 的 K 型热电偶产生的输出电压为 VTC = 50.644mV – (–1.527mV) = 52.171mV。使用内部 2.048V 基准时，计算得出可施加的最大增益为 (2.048V / 52.171mV) = 39.3。该器件提供的下一个较小 PGA 增益设置为 32。

该器件集成了一个高精度温度传感器，可用于测量冷端温度。要测量 ADS1220 的内部温度，必须通过将配置寄存器中的 TS 位设置为 1b，将器件设置为内部温度传感器模式。为了获得出色性能，精心进行电路板布局对于在冷端与器件封装之间实现良好的热传导至关重要。

然而，该器件不会对热电偶执行自动冷端补偿。该补偿必须在与器件连接的微控制器中完成。该微控制器向器件请求一个或多个热电偶电压读数，然后将器件设置为内部温度传感器模式 (TS = 1b)，以获取冷端温度。必须在微控制器上实现类似以下的算法来补偿冷端温度：

  1. 测量 AIN0 与 AIN1 之间的热电偶电压 VTC。
  2. 使用 ADS1220 的温度传感器模式测量冷端温度 TCJ。
  3. 使用 NIST 提供的表格或公式，将冷端温度转换为等效温差电压 VCJ。
  4. 将 VTC 与 VCJ 相加，并再次使用 NIST 表格或公式将总和转换回热电偶温度。

在某些应用中，无法使用 ADS1220 的集成温度传感器（例如，由于精度不够高，或器件无法靠近冷端放置）。此时，可使用器件的附加模拟输入通道，通过热敏电阻、RTD 或模拟温度传感器来测量冷端温度。

要获得可达到的近似温度分辨率，可将 ADS1220 在增益 = 32 且 DR = 20SPS 时的 rms 噪声 (0.23µVrms) 除以 K 型热电偶的平均灵敏度 (41µV/°C)，如方程式 17 所示。

方程式 17. Temperature Resolution = 0.23µV / 41µV/°C = 0.006°C

本设计的寄存器设置如表 9-2 所示。

表 9-2 寄存器设置
寄存器 设置 说明
00h 0Ah AINP = AIN0，AINN = AIN1，增益 = 32，启用 PGA
01h 04h DR = 20SPS，正常模式、连续转换模式
02h 10h 内部电压基准，同步抑制 50Hz 和 60Hz
03h 00h 未使用 IDAC