AD7195：4.8 kHz，超低噪声，24位Σ-Δ模数转换器

AD7195：4.8 kHz，超低噪声，24位Σ-Δ模数转换器

AD7195是Analog Devices（ADI）推出的一款高性能24位Σ-Δ（Sigma-Delta）模数转换器（ADC），专为高精度低频模拟测量设计，可作为完整的模拟前端使用。该器件的最大输出数据速率达到4.8 kHz，具备超低噪声特性，采用成熟的Σ-Δ调制架构与片上滤波设计，有效抑制高频噪声和量化误差，从而实现高分辨率和宽动态范围。

AD7195能够精准捕捉传感器输出的微弱模拟信号，适用于各类精密微小信号采集场景，从源头上保障测量数据的准确性与稳定性。

该芯片集成了低噪声可编程增益放大器（PGA），支持1、8、16、32、64、128六档增益调节，无需外部放大电路即可直接连接毫伏级传感器信号，显著简化前端模拟电路设计。

AD7195还具备交流激励功能，可有效消除桥式传感器、应变片等器件在工作过程中产生的直流偏移误差与温漂干扰，解决了传统直流激励测量中常见的零点漂移和长期稳定性差的问题，从而提升传感器在长期测量中的精度一致性。

此外，AD7195内置参考电压检测、传感器断路检测电流等辅助功能，可实时监测外部基准电压状态与传感器通断情况，具备完善的故障自检能力。

数字接口

AD7195的可编程功能通过一组片上寄存器实现，数据通过串行接口写入这些寄存器，并支持寄存器读取访问。所有通信操作必须从向通信寄存器写入数据开始。上电或复位后，设备会等待通信寄存器的写入操作。

写入通信寄存器的数据决定了后续操作是读取还是写入，并指明操作的目标寄存器。因此，对其他寄存器的写入操作必须先写入通信寄存器，再执行目标寄存器的写入。读取操作同样遵循这一流程，除非处于连续读取模式。

AD7195的串行接口由四条信号线组成：CS（片选）、DIN（数据输入）、SCLK（串行时钟）和DOUT/RDY（数据输出/就绪）。DIN用于将数据写入片上寄存器，DOUT/RDY用于读取数据。SCLK为设备提供时钟信号，所有数据传输均基于该信号。

当启用多个通道时，ADC在每次通道切换时需预留足够的稳定时间以生成有效转换结果。AD7195会自动处理这一过程：通道切换后，调制器和滤波器将被重置，RDY引脚拉高，随后设备等待稳定时间，直到有效转换结果可用，RDY引脚才会变低。

读取所有启用通道的有效转换所需的时间为：

例如，若使用sinc4滤波器，且未启用斩波和零延迟功能，则每个通道的稳定时间计算如下：

其中，fADC表示在单通道连续转换时的输出数据速率。采样N个通道所需时间为：

图2和图3展示了AD7195的读写时序图。CS用于设备解码，图2为读取操作时序，图3为写入操作时序。

即使DOUT/RDY在第一次读取后返回高电平，仍可多次读取数据寄存器中的相同数据。但需注意在下一次更新前完成读取。在连续读取模式下，数据寄存器仅可读取一次。

AD7195支持3线模式运行，通过拉低CS引脚，使用SCLK、DIN和DOUT/RDY进行通信。RDY引脚可用于监测转换结束，适用于与微控制器接口。若需将CS作为解码信号，可从端口引脚生成。建议在数据传输间隙保持SCLK为高电平。

AD7195也可配置为使用CS作为帧同步信号，适用于DSP接口。在DSP中，CS通常在SCLK下降沿后出现，因此MSB由CS时钟输出。只要满足时序要求，SCLK可在数据传输间隙持续运行。

通过向DIN输入端写入连续的1，可重置串行接口。若在至少40个时钟周期内写入逻辑1，接口将被重置，恢复至初始状态。重置后，所有寄存器内容将恢复为上电默认值。建议重置后等待500微秒再进行接口访问。

单次转换模式

在单次转换模式下，AD7195在完成一次转换后进入省电模式。通过设置模式寄存器中的MD2、MD1和MD0为0、0、1，可启动单次转换。片上振荡器约需1毫秒启动。

DOUT/RDY变低表示转换完成，读取数据后该引脚变高。若CS为低，DOUT/RDY将保持高电平，直到启动并完成下一次转换。用户可多次读取数据寄存器，但需确保在下一次转换前完成读取。

若启用多个通道，ADC将依次处理每个通道。转换开始时，DOUT/RDY变高，直到有效结果可用后变低。用户可在下一个通道转换期间读取当前结果。每次转换完成后，数据寄存器立即更新，用户需在有限时间内读取。

若模式寄存器中的DAT_STA位设置为1，每次读取数据时，状态寄存器内容将随转换结果一同输出，其中四个最低有效位指示对应通道。

图4. 单次转换

连续转换模式

连续转换为默认上电模式。AD7195将持续进行转换，每次转换完成后，状态寄存器中的RDY位变低。若CS为低，DOUT/RDY引脚也变低。用户需向通信寄存器写入读取指令以获取数据。

读取数据后，DOUT/RDY变高。用户可多次读取，但需确保在下一次转换前不访问寄存器，否则新数据将丢失。

若启用多个通道，ADC将循环遍历所有启用通道，每次转换完成后立即更新数据寄存器。DOUT/RDY引脚在每次转换结果可用时发出低电平脉冲，用户可在下一个通道转换期间读取当前结果。

若DAT_STA位设置为1，状态寄存器内容将随转换结果一同输出，指示对应通道。

图5. 连续转换

连续读取模式

AD7195可配置为连续读取模式，无需每次转换后写入通信寄存器。通过向通信寄存器写入01011100，用户只需施加适当数量的SCLK周期，转换结果即可自动置于DOUT/RDY线上。ADC应配置为连续转换模式。

当DOUT/RDY变低表示转换结束时，需施加足够的SCLK周期以读取数据。读取完成后，DOUT/RDY变高，直到下一次转换可用。此模式下数据仅可读取一次，用户需确保在下一次转换前完成读取。

若未及时读取或SCLK周期不足，串行输出寄存器将被重置，新数据将被写入。

要退出连续读取模式，需在RDY引脚为低时向通信寄存器写入01011000。ADC将监控DIN线以接收退出指令。若DIN线上连续出现40个1，将触发重置。因此，在连续读取模式下，DIN应保持低电平，直到有指令写入。

若启用多个通道，ADC将连续遍历所有启用通道，每次选中一个通道进行转换。DOUT/RDY在转换结果可用时变低。用户施加足够SCLK周期后，数据将自动置于DOUT/RDY线上。若DAT_STA位设置为1，状态寄存器内容将随转换结果一同输出。

图6. 连续读取

重置

AD7195可通过向设备写入连续40个1进行重置。此操作将重置逻辑电路、数字滤波器和模拟调制器，并将所有寄存器恢复为默认值。上电时自动执行重置。重置后需等待500微秒再访问寄存器。

系统同步

SYNC输入允许用户在不改变设备设置的情况下重置调制器和数字滤波器，从而从已知时间点（即SYNC上升沿）开始采集模拟输入样本。要实现同步功能，需将SYNC拉低至少四个主时钟周期。

若多个AD7195设备使用同一主时钟运行，可通过公共SYNC信号同步其数据寄存器更新。SYNC下降沿将重置数字滤波器和调制器，使设备进入一致状态。SYNC上升沿时，调制器和滤波器退出重置状态，开始采集输入样本。

在多设备系统中，建议在主时钟上升沿将SYNC拉高，以确保所有设备在主时钟下降沿同步采样。若未及时拉高，设备间可能产生一个主时钟周期的差异。

SYNC引脚也可用作启动转换指令。SYNC上升沿启动转换，RDY下降沿指示转换完成。每次数据寄存器更新时需考虑滤波器稳定时间。例如，若ADC配置为sinc4滤波器且未启用斩波和零延迟功能，稳定时间等于4/fADC。

时钟

AD7195内置4.92 MHz片内时钟，容差为±4%。时钟源可通过模式寄存器中的CLK1和CLK0位选择为内部或外部晶体/时钟。使用外部晶体时，需将其连接至MCLK1和MCLK2引脚，晶体制造商通常推荐15 pF负载电容。

若使用外部时钟源，需连接至MCLK2引脚，MCLK1可保持浮空。内部时钟也可通过MCLK2引脚输出，适用于多ADC同步应用。公共时钟可通过复位或对SYNC引脚脉冲处理实现设备同步。

奇偶校验

AD7195支持片上奇偶校验功能，用于检测ADC与微处理器间串行通信中的1位错误。启用该功能需将模式寄存器中的ENPAR位设为1。