ADS112C04硬件电路设计与应用指南

第一章 ADS112C04芯片概述

ADS112C04是一款由德州仪器（Texas Instruments）公司推出的高精度、低功耗、16位模数转换器（ADC），专为小信号传感器测量应用而设计。它集成了多种高性能模拟功能，包括一个低噪声可编程增益放大器（PGA）、一个高精度的内部基准电压源、两个匹配的可编程电流源（IDAC）、一个激励电流源，以及一个用于热电偶测量的内部温度传感器。这些集成特性极大地简化了复杂的电路设计，使得工程师能够以更少的外部元件实现高精度的测量系统，特别是在电阻温度检测器（RTD）、热电偶、热敏电阻和桥式传感器等应用中表现出色。

ADS112C04的16位分辨率能够提供极高的测量精度，其有效分辨率（ENOB）可以达到15.5位，这意味着它能够精确地捕捉到微小的模拟信号变化。其低功耗特性使其非常适合于便携式设备和电池供电的应用。同时，ADS112C04支持I²C兼容的双线串行接口，使得与微控制器（MCU）的通信变得简单高效。该芯片采用小型QFN或TSSOP封装，节省了宝贵的PCB空间。本篇文档将围绕ADS112C04的硬件电路设计展开，详细介绍其各个功能模块的电路实现细节、关键元件选型以及PCB布局布线技巧，旨在为工程师提供一份全面的设计参考。

第二章 ADS112C04引脚功能详解

理解ADS112C04的引脚功能是正确进行硬件电路设计的基础。ADS112C04通常采用20引脚QFN或TSSOP封装，其主要引脚功能如下所述。每一个引脚的功能都至关重要，合理的连接和处理是确保芯片性能的关键。

• AVDD (模拟电源电压)： 这是芯片内部模拟电路的核心电源引脚，为内部的PGA、ADC核心、基准电压源以及IDAC等模拟功能模块供电。AVDD的供电质量直接影响到ADS112C04的测量精度和噪声性能。设计中必须采用低噪声、纹波小的电源，并配合适当的退耦电容进行滤波。一个干净、稳定的AVDD电源是实现高精度测量的首要条件。

• DVDD (数字电源电压)： 这是芯片内部数字电路的供电引脚，为I²C接口和数字逻辑部分供电。DVDD与AVDD可以共用同一个电源，但为了隔离数字噪声对模拟电路的影响，通常建议在PCB布局时对AVDD和DVDD分别进行退耦，或者在可能的情况下使用独立的电源。

• AGND (模拟地)： 这是ADS112C04的模拟地引脚，作为所有模拟信号的参考零电位。所有模拟输入信号、基准电压源的负端以及退耦电容的负端都应连接到AGND。在PCB布局中，AGND应该通过一个单独的地平面或较宽的走线连接到系统的星形接地中心，以避免数字地噪声的串扰。

• DGND (数字地)： 这是ADS112C04的数字地引脚，作为数字逻辑电路的参考地。在PCB布局中，DGND和AGND应通过单点连接的方式汇合，以避免数字信号产生的瞬态电流对敏感的模拟信号路径产生影响。理想情况下，这种连接应该在电源的源头或者在ADC芯片的下方进行。

• AIN0, AIN1, AIN2, AIN3 (模拟输入)： 这些是ADS112C04的四个模拟输入引脚，它们可以被配置为两个差分输入通道（AIN0-AIN1, AIN2-AIN3），或四个单端输入通道（AIN0-AGND, AIN1-AGND等），或用于连接IDAC的电流回环。这些引脚是外部传感器信号进入芯片的门户，其电路设计至关重要。

• REFP0, REFN0, REFP1, REFN1 (基准电压输入)： ADS112C04支持外部差分基准电压输入。REFP0和REFN0用于ADC转换，REFP1和REFN1则作为备用或用于其他功能。设计中可以选择高精度的外部基准电压源，例如TI的REF5025，以确保测量的绝对精度。

• SCL (I²C时钟线)： 这是I²C接口的时钟输入引脚，由主控制器（如MCU）控制。SCL线的电平逻辑取决于DVDD的电压，因此需要确保MCU的I²C接口电平与ADS112C04兼容。

• SDA (I²C数据线)： 这是I²C接口的双向数据线，用于ADS112C04与MCU之间的数据传输。SDA和SCL线都需要上拉电阻才能正常工作。上拉电阻的阻值需要根据总线电容和工作频率进行合理选择。

• DRDY (数据就绪)： 这是一个输出引脚，当ADC转换完成并有新数据可用时，该引脚会发出低电平信号。这是一个非常有用的中断信号，可以通知MCU随时读取数据，从而提高系统效率。

• MCLK (主时钟)： 该引脚是ADC内部时钟的输入引脚。ADS112C04可以采用内部振荡器或外部时钟源。如果使用外部时钟，MCLK需要连接到外部时钟信号；如果使用内部时钟，该引脚可以悬空或连接到数字地。

• RESET (复位)： 这是一个输入引脚，用于对芯片进行硬件复位。当该引脚为低电平时，芯片将进入复位状态。在设计中，可以通过一个上电复位电路来确保芯片在系统启动时正确初始化。

第三章 电源与基准电压电路设计

电源和基准电压是ADS112C04性能的决定性因素。一个噪声小、纹波低、稳定的电源以及一个高精度的基准电压源是实现高精度测量的基础。

3.1 电源电路设计

ADS112C04的模拟电源（AVDD）和数字电源（DVDD）通常为2.3V至5.5V。为了确保电源质量，以下设计原则至关重要：

• 退耦电容： 在AVDD和DVDD引脚处，必须尽可能靠近引脚放置退耦电容。通常采用多个电容组合的方式，例如一个10μF的电解电容用于滤除低频噪声，一个0.1μF的陶瓷电容用于滤除中频噪声，以及一个0.01μF或更小的陶瓷电容用于滤除高频噪声。这些电容应直接连接到AVDD和AGND，以及DVDD和DGND，走线应尽可能短。

• LDO稳压器： 为了获得干净的直流电源，建议使用低压差线性稳压器（LDO）为ADS112C04供电。LDO相比于开关电源具有更低的输出噪声和纹波，非常适合为敏感的模拟电路供电。在选择LDO时，应考虑其低噪声、高PSRR（电源抑制比）和快速响应特性。

• 电源滤波： 除了退耦电容，还可以在电源线上串联一个磁珠或小阻值电阻（例如10Ω）来进一步隔离数字电源和模拟电源，形成RC或LC滤波网络，以抑制高频噪声的传入。这是一种常见的“星形”供电拓扑，能够有效隔离不同部分的噪声。

3.2 基准电压电路设计

ADS112C04可以使用其内部基准电压源，也可以使用外部基准电压源。虽然内部基准电压源在某些应用中足够，但对于需要更高精度和温度稳定性的应用，强烈建议使用外部高精度基准电压源。

• 外部基准电压源选择： 德州仪器公司提供了多种高性能基准电压源，例如REF5025（2.5V输出）、REF5040（4.096V输出）等。这些基准电压源具有极低的温度漂移和高精度，非常适合ADS112C04。选择合适的基准电压源需要考虑其输出电压与ADS112C04的输入范围相匹配，以及其温度特性。

• 基准电压源电路： 外部基准电压源的输出应连接到ADS112C04的REFP0引脚。REFN0引脚通常连接到AGND，形成单极性的基准电压。基准电压源的输出端也需要放置一个退耦电容，以滤除高频噪声，通常使用1μF或10μF的电容。同时，基准电压走线应尽可能短且远离任何噪声源，例如数字信号线。

第四章 模拟输入前端电路设计

ADS112C04的模拟输入前端电路设计是连接传感器和保护芯片的关键。它包括信号调理、噪声滤波和过压保护等部分。

4.1 差分与单端输入

ADS112C04可以配置为差分输入或单端输入模式。

• 差分输入模式： 这是测量小信号（如热电偶、应变片）的最佳选择。在这种模式下，ADS112C04测量的是两个输入引脚（例如AIN0和AIN1）之间的电压差。这种方法能够有效抑制共模噪声，提高测量信噪比。

• 单端输入模式： 这种模式下，ADS112C04测量的是一个输入引脚（例如AIN0）相对于AGND的电压。适用于测量较大的、相对于地的信号。

4.2 RC滤波电路

为了抑制外部高频噪声和射频干扰（RFI），在ADS112C04的模拟输入引脚处，通常会增加一个低通RC滤波器。

• 滤波器设计： 一个简单的RC滤波器由一个串联电阻R和一个并联电容C组成。电阻R应放置在传感器输出端，电容C应放置在ADS112C04输入引脚处，靠近芯片。滤波器的截止频率$f_c = 1/(2pi RC)$应远低于信号的最高频率，但足够高以避免对有用信号产生衰减。通常，截止频率选择在几十到几百Hz。

• 元件选择： R的阻值不应过大，以避免在PGA输入端产生额外的失调电压和噪声。C应选择高品质的陶瓷电容，以确保稳定的滤波性能。

4.3 过压保护

ADS112C04的输入引脚具有一定的耐压能力，但为了防止外部瞬态过压或静电放电（ESD）损坏芯片，需要设计过压保护电路。

• TVS二极管或肖特基二极管： 可以在每个模拟输入引脚处添加TVS二极管或肖特基二极管来钳位过压。这些二极管的导通电压应略高于电源电压，以在正常工作时不会导通。

• 限流电阻： 在保护二极管之前，可以串联一个限流电阻，以限制过压时的电流。

第五章 热电偶测温电路设计

热电偶是工业上常用的温度传感器，但其输出电压非常小（微伏级），且需要进行冷端补偿（CJC）。ADS112C04集成了PGA和内部温度传感器，非常适合此类应用。

5.1 热电偶连接与冷端补偿

• 热电偶连接： 热电偶的正负极应直接连接到ADS112C04的差分输入引脚，例如AIN0和AIN1。为了减少外部噪声，热电偶的引线应采用屏蔽电缆。

• 冷端补偿： 热电偶测量的是热端与冷端（即ADS112C04输入引脚处的接线端子）之间的温差。为了获得热端的绝对温度，必须测量冷端的温度，并进行补偿。ADS112C04内置的温度传感器可以直接用于测量冷端温度。将热电偶的冷端放置在ADS112C04芯片附近，通过内部温度传感器测量其温度，再通过软件将热电偶的电压转换为温度，并加上冷端温度，即可得到热端的真实温度。

5.2 具体电路实现

• 信号通路： 热电偶的正极连接到AIN0，负极连接到AIN1。在AIN0和AIN1引脚处各串联一个100Ω的电阻，然后并联一个0.1μF的电容到AGND，构成低通RC滤波器。

• PGA配置： 由于热电偶信号很小，需要配置ADS112C04的内部PGA为高增益，例如128。这将放大微小的热电偶电压，使其在ADC的有效输入范围内。

• IDAC配置： 如果需要对热电偶进行诊断，例如检测开路，可以配置ADS112C04的IDAC，使其输出一个微小的电流。通过监测这个电流在热电偶电路中产生的电压，可以判断热电偶是否正常连接。

第六章 RTD测温电路设计

电阻温度检测器（RTD）是一种高精度的温度传感器，其电阻值随温度变化。ADS112C04的内部IDAC非常适合用于RTD的激励电流源，从而简化了电路设计。

6.1 RTD连接方式

RTD可以采用2线、3线或4线连接方式。

• 2线制： 最简单的连接方式，但引线电阻会引入误差。

• 3线制： 通过增加一根引线来测量引线电阻，并进行补偿，从而提高精度。

• 4线制： 最佳连接方式，使用两根线提供激励电流，另外两根线测量RTD两端的电压，彻底消除了引线电阻的影响，能够实现最高的测量精度。ADS112C04的IDAC非常适合4线制测量。

6.2 4线制RTD电路设计

• 激励电流源： 配置ADS112C04的内部IDAC，使其从AIN2或AIN3引脚输出一个恒定的激励电流，例如100μA。

• 电压测量： RTD的两端分别连接到ADS112C04的差分输入引脚，例如AIN0和AIN1。这样，ADS112C04就可以直接测量RTD两端的电压。

• 基准电压源： 在4线制RTD测量中，通常采用比率式测量，即将基准电阻（）与RTD串联，并使用ADS112C04的IDAC为其提供激励电流。这样，基准电阻两端的电压就可以作为ADC的基准电压。通过测量RTD两端的电压和基准电阻两端的电压，可以计算出RTD的电阻值，从而消除激励电流源的漂移和变化带来的误差。

6.3 具体电路实现

以4线制RTD（例如Pt100）为例，其电路连接如下：

• RTD的电流输入引脚（I+）连接到ADS112C04的AIN2，其电压测量引脚（V+）连接到AIN0。

• RTD的电流返回引脚（I-）连接到AGND，其电压测量引脚（V-）连接到AIN1。

• 在AIN0和AIN1之间，可以放置一个RC滤波器。

• 在AIN2和AGND之间，放置一个基准电阻RREF，例如1kΩ，用于比率式测量。

第七章 应变片/压力传感器桥式电路设计

应变片通常以惠斯通电桥的形式连接，用于测量微小的电阻变化，进而推导出应变、压力或重量等物理量。ADS112C04的PGA和高精度特性使其成为处理惠斯通电桥小信号的理想选择。

7.1 惠斯通电桥连接

• 激励电压： 惠斯通电桥需要一个稳定的激励电压源。这个电压源可以是ADS112C04的AVDD，也可以是外部的低噪声LDO。

• 差分输出： 桥式电路的输出是差分信号，其电压通常非常小，在mV级别。将桥式电路的差分输出直接连接到ADS112C04的差分输入引脚，例如AIN0和AIN1。

7.2 具体电路实现

• 信号调理： 惠斯通电桥的差分输出直接连接到ADS112C04的AIN0和AIN1引脚。

• PGA配置： 配置ADS112C04的内部PGA为高增益，例如64或128，以放大桥式电路的微弱输出信号。

• 低通滤波： 在AIN0和AIN1引脚处，增加RC低通滤波器，以抑制高频噪声。

• 基准电压： 通常采用比率式测量，即ADC的基准电压与桥式电路的激励电压相同。这样，激励电压的波动就不会影响测量的精度。

第八章 数字通信接口电路设计

ADS112C04采用I²C兼容的双线串行接口与MCU进行通信。正确的接口电路设计是确保通信稳定可靠的关键。

8.1 I²C接口电路

• 上拉电阻： I²C总线是开漏输出，因此SCL和SDA线都需要通过上拉电阻连接到DVDD。上拉电阻的阻值选择至关重要，它决定了总线的上升沿速度。阻值过大，上升沿会变慢，可能导致通信失败；阻值过小，会增加功耗，并可能对总线驱动能力造成负担。通常，上拉电阻选择在1kΩ至10kΩ之间，具体值需要根据总线电容和工作频率进行计算。

• MCU连接： ADS112C04的SCL和SDA引脚直接连接到MCU的I²C接口。为了防止信号反射，走线应尽可能短且直。

• 电平兼容性： 确保ADS112C04的DVDD电压与MCU的I²C接口电压兼容。如果电压不兼容，需要使用电平转换芯片。

第九章 PCB布局布线建议

PCB布局是硬件设计中至关重要的一环，它直接影响到ADS112C04的最终性能。

9.1 模拟与数字地分离

• 地平面： 在PCB设计中，应将ADS112C04的AGND和DGND分开，形成独立的模拟地平面和数字地平面。

• 单点连接： 这两个地平面应只在一个点进行连接，最好是在ADS112C04芯片的下方或电源的源头处。这种星形接地拓扑可以有效防止数字噪声通过地平面串扰到敏感的模拟电路。

9.2 走线原则

• 模拟信号走线： 模拟输入信号的走线应尽可能短、直，且远离数字信号线、时钟线和开关电源等噪声源。可以在敏感的模拟走线周围添加地线进行屏蔽。

• 电源走线： 电源走线应宽阔，以降低阻抗。退耦电容应放置在尽可能靠近芯片电源引脚的位置。

• 基准电压走线： 基准电压走线也应尽可能短、直，且远离噪声源。

9.3 元件放置

• 芯片放置： ADS112C04芯片应放置在PCB的中央区域，远离板边缘，以防止边缘效应的影响。

• 模拟前端： 传感器和信号调理电路应放置在ADS112C04芯片的附近，以缩短模拟走线的长度。

• 数字接口： MCU和I²C接口部分可以放置在PCB的另一端，与模拟部分保持一定的距离。

第十章 软件驱动与寄存器配置

ADS112C04的硬件电路设计需要配合正确的软件配置才能发挥其最大性能。芯片的各种功能都是通过读写内部寄存器来实现的。

10.1 寄存器介绍

ADS112C04共有4个配置寄存器（CONFIG0, CONFIG1, CONFIG2, CONFIG3）和1个数据寄存器（DATA_REG）。

• CONFIG0寄存器： 用于配置数据速率、增益、输入多路复用器和电源模式。例如，$DR[2:0]$位用于设置ADC的数据速率，$PGA_GAIN[2:0]$位用于设置PGA的增益。

• CONFIG1寄存器： 用于配置工作模式、基准电压源、IDAC电流和内部温度传感器。例如，$MUX[2:0]$位用于配置输入通道，$TS[1:0]$位用于选择温度传感器。

• CONFIG2寄存器： 用于配置I²C接口和故障诊断功能。

• CONFIG3寄存器： 用于配置GPIO和其它特殊功能。

10.2 寄存器配置流程

在使用ADS112C04时，软件配置的一般流程如下：

1. I²C通信初始化： 在MCU端初始化I²C接口，设置时钟频率和地址。

2. 芯片复位： 通过向RESET引脚发送低电平信号，或通过I²C命令，对ADS112C04进行软件复位。

3. 寄存器写入： 根据具体的应用需求，向ADS112C04的配置寄存器写入相应的配置值。例如，配置PGA增益为128，数据速率为20SPS，输入为AIN0-AIN1差分模式。

4. 开始转换： ADS112C04配置完成后会自动开始转换。也可以通过向SYNC引脚发送信号来控制转换。

5. 读取数据： 等待DRDY引脚发出低电平信号，表示转换完成。然后通过I²C接口从数据寄存器读取16位的转换结果。

6. 数据处理： 读取到的数据是二进制补码形式，需要通过软件进行处理，例如将原始数据转换为电压值、温度值或压力值。

第十一章 常见问题与故障排除

在ADS112C04的实际应用中，可能会遇到一些常见问题。

11.1 噪声过大，测量结果不稳定

• 原因： 电源噪声、地线噪声、外部电磁干扰等。

• 排除方法： 检查电源退耦电容是否放置正确且容量足够；检查PCB布局，确保模拟地和数字地隔离良好；检查信号线是否远离噪声源；可以在信号线上增加RC低通滤波器。

11.2 通信失败，无法读写寄存器

• 原因： I²C总线硬件连接错误、上拉电阻值不正确、软件配置错误等。

• 排除方法： 检查SCL和SDA线的连接是否正确；使用示波器检查SCL和SDA的波形，看是否有正确的时钟和数据信号；检查上拉电阻的阻值；确保MCU的I²C地址与ADS112C04的地址匹配。

11.3 测量精度低，存在较大误差

• 原因： 基准电压源不稳定、PGA增益设置不正确、引线电阻引入误差、传感器本身特性不佳等。

• 排除方法： 确保使用高精度的外部基准电压源；检查PGA增益是否与信号幅度匹配；如果使用2线制RTD，考虑升级为3线或4线制；对系统进行校准，以消除系统的固定误差。

第十二章 总结与展望

ADS112C04作为一款集成度高、性能优异的模数转换器，为小信号传感器测量提供了强大的解决方案。本文详细介绍了其硬件电路设计的各个方面，从电源、基准电压到具体的传感器应用电路，再到PCB布局和软件配置，旨在提供一份全面的设计指南。

在实际设计中，工程师需要综合考虑芯片的性能、应用需求和环境因素，才能设计出稳定可靠的系统。一个精心的硬件电路设计是成功的关键，而一个合理的PCB布局则能将硬件的性能发挥到极致。希望这份文档能为您在ADS112C04的设计和应用过程中提供有价值的参考和帮助。