ADS1115 数据手册详细介绍

一、概述

ADS1115 是一款由德州仪器 (Texas Instruments, TI) 提供的高精度模数转换器 (ADC)，具有 I2C 接口，适用于多种低功耗、高精度的测量应用。ADS1115 的分辨率为 16 位，能够提供 860S/s 的数据采样率，并且支持可编程增益放大器 (PGA)，使其能够精确测量从微伏到电压的信号。由于其低功耗、高性能和丰富的功能，ADS1115 被广泛应用于传感器数据采集、工业控制、便携式设备、嵌入式系统等场景。

二、功能特点

1. 高分辨率： ADS1115 提供 16 位的模数转换分辨率，能够精确地将模拟信号转换为数字信号。这使得其能够满足高精度测量的需求。

2. 低功耗： 采用低功耗设计，适合于需要延长电池使用寿命的便携设备。在正常工作模式下，ADS1115 的功耗非常低。

3. 可编程增益放大器： 该 ADC 内置了 4 级增益，最大增益为 16，这使得其能够处理从微伏到较大电压的输入信号。增益设置灵活，可以根据不同的应用需求调节。

4. 差分输入支持： ADS1115 可以以差分模式工作，这使得其在有共模干扰的环境中依然能够准确地进行测量。

5. 高采样率： ADS1115 支持最高 860S/s 的数据采样率，适用于需要较快响应速度的应用。

6. I2C 接口： 通过 I2C 接口进行通信，便于与多种微控制器（如 STM32、Arduino 等）进行连接，且易于集成到各种嵌入式系统中。

7. 集成化设计： 内置增益放大器、模拟前端以及模数转换电路，减少了外部元件数量，从而降低了系统的复杂性和成本。

8. 内建温度传感器： ADS1115 配备了内建的温度传感器，可以进行温度监测，适合需要温度反馈的应用场景。

9. 可编程转换速率： 用户可以配置数据转换速率，从而在功耗与采样精度之间做出权衡。

10. 差分模式与单端模式选择： 通过灵活的输入模式设置，ADS1115 支持多种测量方式，如单端输入模式和差分输入模式，适应各种信号源。

三、主要技术参数

1. 输入电压范围： ADS1115 可以测量从 0V 到 VDD 电压范围内的信号。增益设置的不同，输入信号范围也会相应改变。常见的增益设置如下：

• 无增益 (PGA = 1): 输入信号范围为 ±4.096V

• 增益 2 (PGA = 2): 输入信号范围为 ±2.048V

• 增益 4 (PGA = 4): 输入信号范围为 ±1.024V

• 增益 8 (PGA = 8): 输入信号范围为 ±0.512V

• 增益 16 (PGA = 16): 输入信号范围为 ±0.256V

2. 分辨率与精度： 16 位分辨率意味着 ADS1115 能够将输入电压精确到 0.0001V 的级别，这对于高精度的传感器测量至关重要。

3. 采样速率： ADS1115 支持从 8S/s 到 860S/s 的可调采样速率。选择较低的采样速率可以进一步降低功耗，而较高的采样速率则可以提供更快的响应时间。

4. 工作电压： ADS1115 工作电压范围为 2.0V 至 5.5V，适用于不同电源电压的系统。

5. 接口： 该 ADC 使用 I2C 接口进行数据通信，I2C 地址可由用户配置，支持最多四个 ADS1115 设备同时工作在同一个 I2C 总线上。

6. 功耗： 在正常工作模式下，功耗非常低，通常为 150µA (在采样速率为 860S/s 时)，在待机模式下功耗更低，适合长时间运行的设备。

四、工作原理

ADS1115 是通过对模拟输入信号进行逐次逼近比较（SAR）方式的模数转换来实现信号的数字化。具体来说，其工作过程包括以下几个步骤：

1. 输入信号采样： 当输入信号接入 ADC 时，ADS1115 会首先对输入的模拟信号进行采样。根据选择的增益值，模拟信号会经过内置的增益放大器进行放大。

2. 模拟信号转换： 模拟信号经过放大后，进入 SAR 模数转换器。SAR 模数转换器通过一系列的比较过程将模拟信号转换为数字信号。

3. 数字化输出： 转换完成后，数字信号会通过 I2C 接口输出，传输给连接的微控制器或处理器。

4. 采样率与分辨率控制： 用户可以通过 I2C 配置寄存器来调整 ADC 的采样率与分辨率，满足不同应用的需求。

5. 结果输出与校准： 在数据转换完成后，ADS1115 会将结果存储在数据寄存器中，用户通过 I2C 读取这些数据，并进行进一步的处理。

五、应用领域

1. 传感器接口： 由于其高分辨率和高精度，ADS1115 在传感器数据采集系统中得到了广泛应用。例如，在温度传感器、压力传感器、光照传感器等应用中，ADS1115 可以用于高精度的模拟信号转换。

2. 工业控制： ADS1115 也可以用于工业控制系统中，例如用于测量传感器输出的电压信号。通过精确的模拟信号采样，ADS1115 可以帮助实现精密控制。

3. 便携式设备： 低功耗特性使得 ADS1115 特别适合于便携式设备，尤其是需要低功耗并且长时间运行的嵌入式系统。

4. 音频信号采集： ADS1115 能够处理较低电平的信号，因此在音频信号的采集系统中也有应用。例如，它可以用于声音传感器或音频放大器的信号处理。

5. 医疗设备： ADS1115 在医疗设备中也得到了应用，尤其是那些需要高精度电压测量的设备。例如，它可以用于心电图（ECG）设备的信号采集，帮助医生监控病人的生命体征。

6. 数据采集与实验室仪器： ADS1115 的高精度和高分辨率使其成为实验室仪器和数据采集系统的理想选择。无论是在模拟信号的测试、分析，还是在高精度测量方面，它都能提供稳定的性能。

六、使用注意事项

1. 电源噪声： 为了确保测量的精度，ADS1115 的电源应该尽量保持稳定，避免电源噪声对转换结果产生影响。可以通过增加滤波电容来降低噪声。

2. 增益设置： 增益的选择应根据输入信号的范围来设置。过高的增益可能会导致输入信号超出 ADC 的输入范围，而过低的增益则可能导致精度的降低。

3. I2C 总线配置： ADS1115 使用 I2C 总线进行通信，用户在设计时应注意 I2C 地址的冲突问题。如果多个设备使用相同的地址，通信将无法正常进行。可以通过配置寄存器修改地址，避免冲突。

4. 温度影响： 虽然 ADS1115 具有内建温度传感器，但温度变化仍然可能影响其性能。使用时，最好根据温度变化进行校准，以提高测量精度。

5. 输入信号保护： 由于 ADS1115 的输入端口非常敏感，应注意避免过高的输入电压。如果输入信号可能会超出设备的耐受范围，应采取适当的保护措施，如使用限压二极管或保护电路。