AD7190是一款高性能、低功耗、完整的模拟前端（AFE），专为高精度测量应用而设计，特别是那些需要直接连接到外部传感器的应用。该器件集成了许多功能，使其成为工业过程控制、称重、医疗设备以及其他需要高分辨率和低噪声测量的领域的理想选择。本手册旨在为用户提供关于AD7190的全面、详细的中文介绍，涵盖其核心特性、工作原理、寄存器配置、应用电路设计以及软件编程等方面，以期帮助工程师充分理解和利用该器件，高效地完成产品开发。

第一部分：AD7190概述与核心特性

1.1 AD7190简介

AD7190是ADI公司（Analog Devices）推出的一款高精度Σ-Δ型模数转换器（ADC）。它是一款完整的、基于Σ-Δ架构的24位ADC，内置了可编程增益放大器（PGA）、低噪声模拟前端、以及片上数字滤波器。AD7190的突出特点是其极低的噪声、高分辨率和卓越的线性度。它能够直接与电阻式温度检测器（RTD）、热电偶、应变片等传感器接口，无需额外的外部放大或信号调理电路。这极大地简化了系统设计，降低了成本，并提高了系统的可靠性。

1.2 核心特性详解

• 24位无失码： AD7190能够提供真正的24位分辨率，这对于需要捕捉微小信号变化的应用至关重要。无失码意味着ADC的每个数字输出码都对应一个唯一的模拟输入电压范围，确保了测量的准确性和可靠性。

• 低噪声： AD7190的内部噪声非常低，这使得它能够实现高信噪比（SNR）。在增益为128、输出数据速率为4.7Hz时，其有效分辨率可达22.5位。低噪声是高精度测量的基石，它允许用户从微弱的传感器信号中提取出有效信息。

• 片上低噪声可编程增益放大器（PGA）： AD7190集成的PGA是其核心优势之一。该PGA提供了从1到128的可编程增益选项。这意味着AD7190可以直接放大来自传感器的微小信号，例如应变片或热电偶产生的毫伏级电压，而无需额外的外部放大器。PGA的低噪声特性确保了放大过程不会显著增加系统总噪声，从而保持了高分辨率。

• 差分输入和伪差分输入： AD7190提供了四路差分输入通道（AD7190）或两路差分输入通道（AD7192）。差分输入模式能够有效抑制共模噪声，这在工业环境中尤为重要，因为共模噪声是导致测量不稳定的主要因素。伪差分输入模式则允许用户连接单端传感器，同时仍能利用ADC的共模抑制能力。

• 灵活的输出数据速率： AD7190支持多种输出数据速率，从4.7Hz到4.8kHz不等。用户可以根据应用需求在分辨率和速度之间进行权衡。对于需要更高分辨率的应用（如称重），可以选择较低的数据速率；而对于需要快速采样的应用（如某些过程控制），则可以选择较高的数据速率。

• 内置基准电压源和外部基准电压源选项： AD7190内置了一个低漂移的2.5V基准电压源，方便用户在不需要高精度基准源时使用。同时，它也支持外部基准电压源输入，以满足那些对基准电压精度和稳定性有更高要求的应用。

• 片上温度传感器： AD7190内部集成了一个温度传感器，用户可以通过该传感器监测芯片自身的温度。这在进行温度补偿或校准时非常有用。

• 灵活的数字滤波器选项： AD7190提供了多种数字滤波器模式，包括Sinc4、Sinc3和快速响应模式。Sinc4滤波器具有更好的噪声性能，适用于低速、高精度测量；Sinc3滤波器提供了更快的建立时间；而快速响应模式则适用于需要快速切换通道的应用。

• 自校准和系统校准功能： AD7190支持内部自校准和系统校准。自校准功能可以消除内部电路的偏移误差和增益误差，而系统校准则允许用户消除外部模拟前端（AFE）的误差。这些校准功能极大地简化了系统的维护和调试。

• SPI兼容接口： AD7190采用标准的四线SPI（串行外设接口）总线进行通信，这使得它能够轻松地与各种微控制器（MCU）或数字信号处理器（DSP）连接。SPI接口具有简单、高速的特点，是工业控制领域常用的通信协议。

第二部分：工作原理与内部架构

2.1 Σ-Δ型ADC的基本原理

Σ-Δ型ADC是一种基于过采样、噪声整形和数字滤波原理的模数转换器。其核心思想是通过高频采样（过采样）将量化噪声推向更高的频率，然后使用数字低通滤波器将高频噪声滤除，从而在较低的有效带宽内获得极高的分辨率。

2.2 AD7190内部架构详解

AD7190的内部架构由以下几个主要模块组成：

1. 模拟前端（AFE）： AFE包括多路复用器（MUX）、低噪声PGA和Σ-Δ调制器。多路复用器负责选择需要测量的模拟输入通道。PGA对选定的模拟信号进行放大，增益可编程。Σ-Δ调制器将放大的模拟信号转换为高速、一比特流的数字信号。

2. 基准电压源： AD7190内置了一个高精度的2.5V基准电压源。该基准电压用于Σ-Δ调制器进行转换。用户也可以选择使用外部基准电压源，以获得更高的精度和稳定性。

3. 数字滤波器： Σ-Δ调制器产生的高速一比特流进入数字滤波器。数字滤波器对该比特流进行抽取和低通滤波，以去除高频量化噪声，并最终产生24位的数字输出。AD7190提供了Sinc4、Sinc3等多种滤波器选项，用户可以根据应用需求选择合适的滤波器。

4. 校准逻辑： 校准逻辑模块负责执行内部自校准和系统校准。自校准通过测量内部的零输入和满量程输入来校正器件自身的偏移和增益误差。系统校准则允许用户通过外部校准源来校正整个测量链的误差。

5. SPI接口： SPI接口模块负责AD7190与外部微控制器之间的通信。它接收微控制器发送的命令，控制AD7190的寄存器配置，并向微控制器发送转换结果。

6. 时钟源： AD7190可以由外部时钟源或内部晶振驱动。内部晶振为Σ-Δ调制器提供时钟，而外部时钟源则可以提供更稳定的时钟，以获得更好的性能。

第三部分：寄存器配置与功能详解

AD7190通过一系列内部寄存器进行配置和控制。用户通过SPI接口读写这些寄存器，从而设置AD7190的工作模式、增益、数据速率、滤波器类型等。下面详细介绍几个关键的寄存器。

3.1 通信寄存器（Communication Register）

通信寄存器用于控制SPI通信的读写操作。用户通过写入该寄存器来选择要访问的下一个寄存器。

• 格式： 8位寄存器

• 功能：

• WR/RD#（第7位）： 读写选择位。1表示读操作，0表示写操作。

• REG（第6-4位）： 寄存器地址。用于指定要访问的寄存器。

• RSVD（第3-1位）： 保留位，应始终写0。

• ZERO（第0位）： 始终写0。

3.2 状态寄存器（Status Register）

状态寄存器提供了AD7190的当前状态信息。用户可以通过读取该寄存器来了解ADC的工作状态。

• 格式： 8位寄存器

• 功能：

• RDY#（第7位）： 转换就绪位。0表示转换完成，数据就绪。

• ERR（第6位）： 错误标志。1表示存在错误，如基准电压错误。

• CH3-CH0（第5-2位）： 当前活动通道。指示正在进行转换的通道。

• PARITY（第1位）： 校验位。可用于数据完整性检查。

• RSVD（第0位）： 保留位。

3.3 模式寄存器（Mode Register）

模式寄存器是AD7190最重要的配置寄存器之一。它控制AD7190的工作模式、数据速率、增益、滤波器类型等。

• 格式： 24位寄存器

• 功能：

• 00：内部晶振。

• 01：外部时钟。

• 10：外部时钟输出。

• 000：连续转换模式。

• 001：单次转换模式。

• 010：关断模式。

• 011：内部零点校准。

• 100：内部满量程校准。

• 101：系统零点校准。

• 110：系统满量程校准。

• 111：内部温度传感器测量模式。

• MODES[2:0]（第23-21位）： 工作模式选择。

• CLKSRC[1:0]（第20-19位）： 时钟源选择。

• SINC3（第18位）： Sinc3滤波器选择。1表示启用Sinc3，0表示启用Sinc4。

• ENPARITY（第17位）： 启用校验位。

• DAT_STA（第16位）： 数据状态位。用于控制输出数据的格式。

• RSVD（第15-13位）： 保留位。

• FS[10:0]（第12-2位）： 输出数据速率设置。通过该位设置，可以选择从4.7Hz到4.8kHz的输出数据速率。

• RSVD（第1位）： 保留位。

• EN_TEMP（第0位）： 启用内部温度传感器。

3.4 配置寄存器（Configuration Register）

配置寄存器用于设置模拟前端的参数，如通道选择、增益和基准电压源选择。

• 格式： 24位寄存器

• 功能：

• 000：增益=1

• 001：增益=8

• ...

• 110：增益=128

• 0000：A_IN1(+), A_IN2(-)

• 0001：A_IN3(+), A_IN4(-)

• ...

• CH_SEL[3:0]（第23-20位）： 模拟输入通道选择。

• GAIN[2:0]（第19-17位）： PGA增益设置。

• PSEUDO（第16位）： 伪差分模式。

• REF_SEL（第15位）： 基准电压源选择。0表示外部基准源，1表示内部基准源。

• BUF（第14位）： 缓冲器使能。

• UNIPOLAR（第13位）： 单极性/双极性模式选择。0表示双极性，1表示单极性。

• BURNOUT（第12位）： 烧断检测。

• AVDD_MON（第11位）： AVDD监控。

• RSVD（第10-0位）： 保留位。

第四部分：应用电路设计与硬件连接

AD7190的应用电路设计相对简单，因为它集成了大部分所需的模拟前端功能。一个典型的应用电路主要包括AD7190本身、电源电路、基准电压源（如果使用外部）、输入信号连接以及微控制器接口。

4.1 电源设计

AD7190需要一个模拟电源（AVDD）和一个数字电源（DVDD）。为了获得最佳性能，建议使用独立的低噪声线性稳压器（LDO）为AD7190供电，特别是AVDD。良好的电源去耦是至关重要的，应在AVDD和DVDD引脚处放置多个不同容量的电容，以滤除高频噪声。

4.2 模拟输入连接

AD7190的模拟输入为差分输入。为了充分利用其共模抑制能力，应确保差分输入线的长度相等，并尽量走线在同一层，以避免外部噪声耦合。当连接应变片或RTD等传感器时，应使用惠斯通电桥配置，以提供差分输出。

4.3 基准电压源

AD7190内置了2.5V基准电压源，但对于需要更高精度和更低温度漂移的应用，推荐使用外部基准电压源。当使用外部基准电压源时，应将VREFIN(+)和VREFIN(-)引脚连接到外部基准源的输出。

4.4 微控制器接口

AD7190通过SPI接口与微控制器通信。SPI接口包括SCLK（串行时钟）、DIN（数据输入）、DOUT（数据输出）和CS#（片选）四根线。在硬件连接时，应确保SCLK、DIN、DOUT和CS#引脚正确连接到微控制器的相应引脚。

4.5 布局布线注意事项

• 模拟区域与数字区域分离： 在PCB布局时，应将AD7190的模拟区域（AVDD、AIN等）与数字区域（DVDD、SPI接口等）分开，以防止数字噪声耦合到模拟信号路径。

• 良好的地线设计： 建议使用星形接地或平面地，将模拟地（AGND）和数字地（DGND）在单点连接，以避免地环路引起的噪声。

• 去耦电容： 在AD7190的电源引脚和基准电压引脚附近，应放置高质量的去耦电容。

第五部分：软件编程与数据处理

软件编程是使用AD7190的关键。通过编程，用户可以配置寄存器、控制转换过程、读取转换结果并进行数据处理。

5.1 编程流程

一个典型的AD7190编程流程如下：

1. 初始化：

• 配置微控制器的SPI接口。

• 发送SPI通信命令，复位AD7190。

• 写入模式寄存器，设置AD7190的工作模式（例如，连续转换模式）、数据速率和滤波器。

• 写入配置寄存器，设置通道、增益和基准电压源。

2. 校准：

• 写入模式寄存器，选择校准模式（例如，内部零点校准）。

• 等待RDY#标志变低，表示校准完成。

• 重复此过程，进行满量程校准。

• 如果需要，执行内部或系统校准。校准过程通常需要几个步骤：

3. 数据读取：

• 在连续转换模式下，等待RDY#标志变低。

• 当RDY#为低时，通过SPI读取数据寄存器。数据寄存器包含24位的转换结果。

• 如果需要，可以读取状态寄存器以检查是否有错误发生。

4. 数据处理：

• 将读取到的24位数字转换结果转换为实际的物理量（例如，电压、温度或重量）。

• 转换公式通常涉及增益、基准电压源以及校准系数。

5.2 软件示例（伪代码）

C

// AD7190寄存器地址#define REG_COMM        
0x00#define REG_MODE        
0x01#define REG_CONF        
0x02#define REG_DATA        
0x03// AD7190通信函数void AD7190_WriteRegister(uint8_t reg_addr, uint32_t value) {    
// 启用片选
    CS_LOW();    
    // 发送通信寄存器命令（写操作）
    spi_send_byte(reg_addr & 0x7F);    
    // 发送寄存器数据
    spi_send_byte((value >> 16) & 0xFF);
    spi_send_byte((value >> 8) & 0xFF);
    spi_send_byte(value & 0xFF);    
    // 禁用片选
    CS_HIGH();
}uint32_t AD7190_ReadRegister(uint8_t reg_addr) {    uint32_t data = 0;    
    // 启用片选
    CS_LOW();    
    // 发送通信寄存器命令（读操作）
    spi_send_byte(reg_addr | 0x80);    
    // 读取寄存器数据
    data |= (uint32_t)spi_read_byte() << 16;
    data |= (uint32_t)spi_read_byte() << 8;
    data |= (uint32_t)spi_read_byte();    
    // 禁用片选
    CS_HIGH();    
    return data;
}// 主函数int main() {    // 1. 初始化SPI
    spi_init();    
    // 2. 复位AD7190
    // 通过发送32个1来复位AD7190
    CS_LOW();    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        spi_send_byte(0xFF);
    }
    CS_HIGH();    
    // 3. 配置模式寄存器（例如，连续转换，Sinc4，数据速率10Hz）
    uint32_t mode_reg_value = 0x000000; // 连续转换，Sinc4，数据速率10Hz
    AD7190_WriteRegister(REG_MODE, mode_reg_value);    
    // 4. 配置配置寄存器（例如，通道1，增益128，内部基准，双极性）
    uint32_t conf_reg_value = 0x000100; // 通道1，增益128，内部基准，双极性
    AD7190_WriteRegister(REG_CONF, conf_reg_value);    
    // 5. 循环读取数据
    while(1) {        // 等待数据就绪（RDY#标志）
        while(AD7190_ReadRegister(REG_STATUS) & 0x80);        
        // 读取转换结果
        uint32_t adc_data = AD7190_ReadRegister(REG_DATA);        
        // 转换数据为电压
        double voltage = (double)adc_data / (double)0x7FFFFF * VREF / GAIN;        
        // 打印或处理电压数据
        printf("Voltage: %f V
", voltage);
    }    
    return 0;
}

第六部分：高级功能与应用示例

6.1 内部温度传感器应用

AD7190的内部温度传感器可以用于监控芯片自身的温度，这在需要进行温度补偿的应用中非常有用。通过在模式寄存器中设置相应的位，AD7190将进入温度测量模式，并输出与芯片温度成正比的数字值。

6.2 惠斯通电桥应用

惠斯通电桥是连接应变片等电阻式传感器的标准电路。AD7190的差分输入非常适合直接连接到惠斯通电桥的输出。通过AD7190的内部PGA，可以放大电桥输出的微弱电压，从而实现高分辨率的测量。

6.3 称重应用

称重系统是AD7190的典型应用之一。一个称重系统通常由一个或多个应变片式称重传感器、AD7190和微控制器组成。AD7190的高分辨率和低噪声特性使其能够精确地测量称重传感器产生的微小电压变化，从而实现高精度的重量测量。

6.4 RTD温度测量应用

电阻式温度检测器（RTD）是一种常用的温度传感器。AD7190可以与RTD接口，实现高精度的温度测量。通过使用AD7190的内置基准源或外部基准源，并结合其高分辨率的ADC，可以精确地测量RTD的电阻变化，从而计算出温度。

第七部分：故障排除与调试

在使用AD7190时，可能会遇到一些问题。本节将提供一些常见的故障排除和调试技巧。

7.1 无SPI通信

• 检查硬件连接： 确保SPI接口的SCLK、DIN、DOUT和CS#引脚正确连接到微控制器。

• 检查电源： 确保AD7190的AVDD和DVDD电源正常，并且去耦电容正确安装。

• 检查时钟： 确保微控制器的SPI时钟频率在AD7190的允许范围内。

7.2 转换结果不稳定或有噪声

• 检查电源噪声： 使用示波器检查AD7190的AVDD和DVDD电源，确保其噪声水平在可接受范围内。

• 检查接地： 确保模拟地和数字地良好分离，并在单点连接。

• 检查输入信号： 检查输入信号是否存在外部噪声源。

• 检查滤波器设置： 尝试使用Sinc4滤波器和较低的数据速率，以获得更好的噪声性能。

• 检查校准： 执行内部自校准或系统校准，以消除偏移和增益误差。

7.3 转换结果不正确

• 检查寄存器配置： 仔细检查模式寄存器和配置寄存器的设置，确保它们与您的应用要求相符。例如，增益设置、通道选择和基准电压源选择。

• 检查基准电压源： 确保基准电压源的电压值是准确的。如果使用外部基准源，请确保其连接正确。

• 检查输入信号范围： 确保输入信号在AD7190的输入范围内，不要超出其最大输入电压。

• 检查校准： 如果没有进行校准，可能存在偏移和增益误差。执行校准可以纠正这些误差。

7.4 烧断检测

AD7190内置了烧断检测功能，可以检测传感器连接断开的情况。当传感器连接断开时，烧断检测电路会产生一个数字输出，可以通过读取配置寄存器中的相应位来检查。

第八部分：AD7190与AD7192的区别

AD7190和AD7192是同系列的两款器件，它们的主要区别在于模拟输入通道的数量。

• AD7190： 提供四路差分输入通道（A_IN1/A_IN2, A_IN3/A_IN4, A_IN5/A_IN6, A_IN7/A_IN8），以及两个伪差分输入通道。

• AD7192： 提供两路差分输入通道（A_IN1/A_IN2, A_IN3/A_IN4），以及两个伪差分输入通道。

除了通道数量之外，AD7190和AD7192在其他核心特性和功能方面基本相同，因此本手册中的大部分内容同样适用于AD7192。用户可以根据应用中所需的通道数量来选择合适的器件。

第九部分：总结

AD7190是一款功能强大、易于使用的高精度Σ-Δ型ADC，它集成了许多功能，极大地简化了高精度测量系统的设计。通过本手册的详细介绍，用户应该能够深入了解AD7190的核心特性、工作原理、寄存器配置、硬件连接以及软件编程。无论是称重、温度测量还是工业过程控制，AD7190都能够提供卓越的性能和可靠性。希望本手册能为您的AD7190项目开发提供有价值的参考和帮助。