ADS1605:速度最快的16位Delta-Sigma ADC

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摘要：ADS1605是美国德州仪器公司（TI）生产的一款高采样率、高精度、易使用的16位ΔΣ模数转换器。其简易的并行数字输出数据接口可方便地与数字信号处理器（DSPs）接口。主要针对需要高精度测量和高速数据采样的场合，如自动测试设备、科研仪器、医学图像处理、数据采集、振动分析等。文中主要介绍了ADS1605的性能特点、内部结构及引脚排列，并对其和TI 的TMS320C5400系列数字信号处理器的接口作了简要说明。

关键词：模数转换器；ADS1605；高精度测量

分类号：TN409

文献标识码：B

ADS1605:The highest speed, 16-Bit Delta-Sigma ADC Jin Jian Zhang Chong

Abstract: The ADS1605 is a 16-bit delta-sigma analog-to-digital converter by Texas Instrument in U.S.A for high-speed, high-precision, and ease of use. The digital output data is provided over a simple parallel interface that easily connects to DSPs. It aims at mainly the applications which need high-precision measurement and high-speed data gathering, such as automated test equipment, scientific instrumentation, medical imaging, data acquisition, vibration analysis and so on . This paper introduces the performance, internal structure, pin descriptions, and offers an example of interfacing ADS1605 to the TMS320C5400 DSPs in brief.

Key words: ADC; ADS1605; high-precision measurement

1 概述：
ADS1605是德克萨斯仪器公司（Texas Instruments）开发的高速、高精度的16位Delta-Sigma模数转换器（ADC）。其采样速率为5MSPS，带宽为2.45MHz且带内信号波动小于±0.0025dB，信噪比（SNR）为88dB; 非线性失真（THD）为－99dB，无失真动态范围（SFDR）为101dB。倍频采样（2X模式）时，数据采样率能达到10MSPS。简易的并行数字输出数据接口可直接与数字信号处理器（DSPs）连接，方便用户接口设计。ADS1605的工作电源为+5V的模拟电源和+3V的数字电源，独立的数字I/O电源设计使芯片可灵活与其它逻辑芯片接口，其工作电压为+2.7V～+5.25V。芯片采用64引脚的TQFP封装，封装型式和引脚排列如图1所示。

图1 TQFP型封装和引脚排列

2 内部结构及引脚功能
ADS1605的内部结构如图2所示，芯片由ΔΣ调制器、数字滤波器、I/O接口、FIFO、基准源和偏置电路等组成。表1示出了引脚名称及功能描述。

图2 ADS1605的内部结构

表1 ADS1605引脚名称及功能描述

3 设计考虑
作为一款高性能的ΔΣ模数转换器，ADS1605的过采样率在默认状态下为8，此刻的数据采样率是5MSPS，倍频模式（2XMODE）通过使过采样率缩减为4来达到10MSPS的采样速率。度量输入信号和基准电压时，应考虑将相关引脚信号电平进行差分转换：输入信号电压V_IN=（AINP-AINN），基准电压V_REF=（VREFP-VREFN）。16位的并行输出数据总线可以直接与DSP芯片连接，方便用户接口设计。独立的数字I/O电源设计使芯片可灵活与其它逻辑芯片接口。

3.1 输入控制
（1）模拟输入（ AINP,AINN ）
ADS1605通过将差分转换后的输入信号电平V_IN和差分转换后的基准电压V_REF进行比较来进行数据量化。此外，对基准电源进行内部定标保证了输入信号电平V_IN的最大幅值为1.545V_REF。注意采样值是有符号数，若A15为16位采样数据的最高位，则A15为符号位，A15=0表示正极性，A15=1表示负极性，其它15位与输入信号电平大小相对应。最大正极性输入信号的电平V_IN为1.545V_REF，相应的数字编码为7FFFh，最大负极性输入信号的电平VIN为-1.545V_REF，相应的数字编码输出为8000h。

（2）基准源输入
无论选择内基准源或外基准源，基准电压VREF都等于VREFP和VREFN的差值，即：V_REF=（VREFP-VREFN），VREFP和VREFN各有2个引脚（63，64和60，61），在使用前均应分别短接。
选择内基准源时，应将引脚置为低电平，以此激励内部电路产生基准电压，选择外基准源时则相应将引脚置为高电平。

（3）时钟输入
时钟输入由外部时钟源提供，时钟信号从CLK引脚输入并控制ΔΣ调制器的数据采样。此外，应选用晶振作为时钟源以实现最佳性能。

3.2 数据格式
16位输出数据以二进制补码形式存在，见表2。当输入正极性信号电平V_IN超过1.545V_REF时，相应的编码输出为7FFFh，同时OTR(溢出指示)引脚变成高电平，表示溢出。同样，输入负极性信号V_IN低于-1.545V_REF时，对应的编码输出为8000h且OTR引脚变成高电平（溢出）。

表2 输入信号电平与输出编码对应关系

3.3 数据输出控制
当引脚信号至波形下降沿时，输出数据有效。为激活输出数据总线，和引脚必须同时置为低电平，如表3所示。

3.4 模拟电源功耗及休眠模式
在RBIAS引脚和模拟地之间，需外接一电阻器R_BIAS，用来设置模拟电流电平，如图3所示。表3给出了R_BIAS与时钟频率、典型功耗的对应关系。如在电阻器R_BIAS两端并联上电容将对内偏置电路产生干扰，在使用中应注意。

当停止采样时，通过将

引脚置为低电平来启动休眠模式。进入休眠状态后，包括基准电压源在内的所有电路都被切断。为减小休眠状态时的数字电流，应停止CLK引脚的时钟信号输入。芯片内部，在

引脚还集成了一个170kΩ的内置负载电阻。若不使用

引脚，可将其直接接至IOVDD引脚。当退出休眠模式并开始采样时，基准源达到稳定状态需15ms。待基准源稳定后，再经过100个

信号周期（调制器和数字滤波器的调整稳定时间）后就可以接收有效数据。

3.5 2X模式
当2XMODE数字引脚为低电平时，过采样率为8（16位采样）；引脚为高电平时，过采样率为4（14位采样）且16位DOUT引脚都被激活。2X模式时，过采样率从8减到4使数据采样率加倍。当f_CLK=40MHz时，数据采样率变为10MSPS。同时，群时延缩减到0.9μs，稳定时间变为1.3μs或13个信号周期。芯片处于2X模式时，噪声随过采样率的减小而增加，典型信噪比(SNR)降为14dB，谐波失真（THD）基本保持不变。

3.6 应用实例
图4给出了ADS1605与TMS320C5400系列数字信号处理器（DSPs）的接口方式。数字信号处理器的R/引脚和引脚负责读数据控制，其中，为I/O空间选择信号引脚，当DSP访问其它外部存储空间时，可阻止ADS1605的引脚选通，一定程度上减少了ADS1605的数字耦合噪声。如不使用引脚，则可用倒相器取代与非门U1。引脚和A15引脚通过与非门U2共同对ADS1605进行片选，如DSP的I/O空间未连接其它器件，可将引脚与引脚直接相连，即与非门U2不用。ADS1605的16位数据总线直接与DSP的数据总线连接，简化了数据传送操作。ADS1605的引脚与DSP的引脚（外部中断管脚7）相连，可用以触发CPU的中断信号。

图4 AD1605和TMS320C5400芯片的连接

德州仪器公司（TI）提供的CCS(Code Composer Studio)集成开发环境，除可对TI的TMS320系列数字信号处理器进行功能强大的软件调试外，还为DSP芯片和模数转换器的接口提供必要的插件支持，方便了数据采集系统和信号处理系统的硬件接口及软件调试。

4 结束语
ADS1605接口简单，使用方便、灵活，16位的高采样精度，同时又具有较高的数据转换速度及无失真动态性能。在多数需要高精度测量和高速数据采集的应用中，该芯片具有很强的实用性。

参考文献
1．Texas Instruments. ADS1605 16-Bit,5MSPS Analog-to-Digital Converter.2003:7～16.
2．谭杰·霍夫纳. 高速A/D转换器动态参数[J].电测与仪表,2001；38（3）：31～33.
3．Texas Instruments.Data Converter Selection Guide.2003:4～7.
4．Texas Instruments.Operating the ADS1603 and ADS1605 in 2X Mode.2003:9～16.
5．王念旭. DSP基础与应用系统设计. 北京:北京航空航天大学出版社.2001. 361~362

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