第一章：ADS1120简介与核心特性

1.1 ADS1120的基本概述

ADS1120是德州仪器（Texas Instruments，简称TI）推出的一款高精度、低功耗、24位模数转换器（ADC）。它专为要求高精度测量和低功耗的应用而设计，特别适用于工业过程控制、温度测量、称重传感器以及便携式仪表等领域。作为一款高度集成的产品，ADS1120将许多常用的模拟前端（AFE）功能集成在一颗芯片中，这极大地简化了系统设计，减少了外部元器件的使用，从而降低了成本并提升了可靠性。它在保证高分辨率的同时，也提供了卓越的抗干扰能力和稳定性，使其在恶劣的工业环境中也能稳定工作。ADS1120的发布，为工程师提供了一种高效、可靠的解决方案，用以应对各种复杂的精密测量挑战。

1.2 核心特性详解

ADS1120之所以备受青睐，得益于其一系列出色的核心特性。这些特性共同构成了其在精密测量领域的强大竞争力。

• 高分辨率与高精度：ADS1120提供高达24位的分辨率，这意味着它可以将输入电压信号细分为$2^{24}$个等级进行数字化，理论上可以分辨出非常微小的电压变化。虽然其有效分辨率会受到噪声等因素的影响，但其标称分辨率已经足以满足绝大多数高精度测量的需求。其低至0.15µV的输入参考噪声（PGA增益为128时），确保了在小信号测量时的信噪比，从而保证了测量的准确性。

• 可编程增益放大器（PGA）：芯片内部集成了一个低噪声PGA，支持1到128的8种增益设置（1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128）。这个功能至关重要，因为它允许ADS1120直接处理来自各种传感器的小信号，如热电偶、应变片和电阻温度检测器（RTD），而无需外部独立的放大器。PGA的存在极大地简化了模拟前端的设计，并有效抑制了外部噪声，提升了整个系统的信噪比。

• 低功耗设计：ADS1120的工作电流非常低，在待机模式下电流更是微不足道。这使得它非常适合于电池供电的便携式设备。在最大采样率（2kSPS）下，其工作电流约为650µA，而在低功耗模式下，其电流可以进一步降低。对于许多工业应用来说，设备的功耗直接影响到电池寿命或整体能耗，因此ADS1120的低功耗特性具有显著的优势。

• 多种输入通道和差分输入：ADS1120提供2路差分输入通道或4路单端输入通道。差分输入可以有效抑制共模噪声，这在工业环境中非常重要。许多传感器，如热电偶和应变片，本质上就是产生差分信号的。ADS1120的差分输入结构与这些传感器完美匹配，进一步提升了测量的抗干扰能力和精度。

• 集成温度传感器：芯片内部集成了一个高精度的温度传感器，可以用于进行自校准或环境温度监测。在某些应用中，如热电偶测温，需要对冷端进行补偿。ADS1120的内部温度传感器可以方便地提供冷端温度值，从而简化了冷端补偿电路的设计，提高了测温的准确性。

• 内部基准电压源：ADS1120集成了2.048V的低漂移内部基准电压源。这个基准源具有良好的温度稳定性和低噪声特性，可以作为ADC转换的参考电压，省去了外部基准源的设计，进一步简化了电路。当然，为了获得更高的精度和稳定性，ADS1120也支持使用外部基准电压源，这为用户提供了灵活性。

• 灵活的数字接口：ADS1120采用SPI（串行外设接口）协议进行通信。SPI接口简单、高速，可以方便地与微控制器（MCU）进行连接。它支持四线制SPI，即SCLK（时钟）、DIN（数据输入）、DOUT（数据输出）和CS（片选）。这种接口方式在嵌入式系统中非常普遍，兼容性强。

• 多种工作模式：ADS1120支持连续转换模式、单次转换模式和待机模式等多种工作模式，可以根据实际应用需求进行灵活配置。例如，在单次转换模式下，可以节省功耗，而在连续转换模式下，可以实现快速、实时的数据采集。

• 高级诊断功能：为了提升系统的可靠性，ADS1120还具备一些诊断功能，如输入电压超出范围检测、内部温度传感器故障检测等。这些功能可以帮助工程师快速定位系统问题，提高系统的鲁棒性。

1.3 应用领域

基于上述核心特性，ADS1120被广泛应用于多个高精度测量领域：

• 温度测量：利用热电偶、RTD（电阻温度检测器）和热敏电阻进行精密温度测量。其PGA和内部冷端补偿功能使得它成为热电偶测量的理想选择。而对于RTD，ADS1120的激励电流源可以简化惠斯通电桥的设计。

• 工业过程控制：在工业自动化中，需要对压力、流量、液位等物理量进行精确测量。ADS1120可以与各种传感器（如应变片、压力传感器）配合，提供高精度的数据采集。

• 称重传感器：在电子秤、称重仪表等应用中，应变片式称重传感器输出的信号非常微弱，需要高增益和高分辨率的ADC进行转换。ADS1120的PGA和高分辨率特性使其成为称重应用的完美选择。

• 便携式仪表：由于其低功耗特性，ADS1120非常适合用于电池供电的万用表、数据记录仪、便携式医疗设备等。

第二章：ADS1120引脚定义与内部框图

2.1 引脚定义与功能描述

深入了解ADS1120的引脚功能是正确设计硬件电路的基础。ADS1120通常采用16引脚的TSSOP封装，其引脚功能如下表所示：

重要说明：在实际设计中，AVDD和DVDD通常由同一个电源供电，但为了降低数字电路对模拟电路的干扰，建议在电源线上分别放置滤波电容。AVSS和DGND也需要正确连接，通常在PCB上连接到同一个地平面。REFNx和REFPx引脚提供了灵活的基准源选择，可以配置为内部基准源或外部基准源。

2.2 ADS1120内部框图解析

ADS1120的内部框图是理解其工作原理的关键。它将多个功能模块巧妙地集成在一起，形成了一个高效的ADC系统。

• 输入多路复用器（MUX）：这是ADC的第一级。它负责从AIN0到AIN3的四个模拟输入引脚中选择一对输入信号（差分或单端）送入PGA。该多路复用器具有灵活的配置选项，可以组合成两路差分输入（AIN0/AIN1, AIN2/AIN3）或四路单端输入。

• 可编程增益放大器（PGA）：紧跟在多路复用器之后的是PGA。它可以对输入的微弱信号进行放大，增益范围为1到128。PGA采用低噪声设计，确保了在放大信号的同时不会引入过多的噪声。

• 增量-Σ调制器（Modulator）：这是ADS1120的核心转换单元。增量-Σ调制器是一种特殊的ADC架构，它通过对输入电压进行过采样和噪声整形，将模拟信号转换为数字码流。它的工作原理是先将模拟信号与参考电压进行比较，然后通过一个积分器和比较器产生一个1位的数字输出。这个输出通过一个反馈环路调节输入信号，使得平均输出趋近于输入信号。

• 数字滤波器（Digital Filter）：调制器的输出是1位的数字码流，需要通过一个数字滤波器来将这些码流转换为高分辨率的数字结果。ADS1120的数字滤波器采用SINC滤波器，其截止频率和阶数可以配置，从而可以有效抑制量化噪声，并决定了ADC的采样率和有效分辨率。

• 基准电压源（Reference Voltage）：ADS1120集成了低漂移的2.048V内部基准电压源，其稳定性对ADC的精度至关重要。同时，芯片也提供了外部基准源的输入接口，允许用户根据需要使用更高精度的外部基准源。

• 激励电流源（Excitation Current Sources）：ADS1120内部有两个匹配良好的可编程激励电流源，可以输出10µA到1500µA的电流。这些电流源对于RTD测温等应用非常有用，可以用来驱动传感器，并与惠斯通电桥配合使用，简化了测量电路。

• 内部温度传感器（Internal Temperature Sensor）：位于芯片内部的温度传感器可以提供环境温度读数，用于冷端补偿或系统自校准。

• SPI数字接口（SPI Digital Interface）：该模块负责与外部微控制器进行通信。它接收来自MCU的配置命令，并向MCU发送转换结果数据。

• 电源和时钟（Power and Clock）：电源模块负责为所有内部模块供电，而时钟模块则提供增量-Σ调制器所需的时钟。ADS1120内部通常包含一个振荡器，可以提供时钟，也可以使用外部时钟源。

第三章：ADS1120寄存器配置与通信协议

3.1 寄存器概述

ADS1120的所有功能配置，包括输入通道选择、增益设置、数据速率、工作模式等，都是通过写入内部寄存器来实现的。理解这些寄存器的功能是正确使用ADS1120的关键。ADS1120有四个主要的配置寄存器：

• 配置寄存器0 (CONFIG0): 主要用于选择输入多路复用器（MUX）通道、PGA增益和使能/禁用PGA。

• 配置寄存器1 (CONFIG1): 主要用于设置数据转换速率、工作模式（连续或单次）、温度传感器使能、以及启动/停止DRDY引脚。

• 配置寄存器2 (CONFIG2): 主要用于配置基准电压源、激励电流源以及内部温度传感器的使能。

• 配置寄存器3 (CONFIG3): 主要用于配置输入通道的缓冲器、烧断电流源、以及诊断功能。

每个寄存器都是8位的，通过SPI接口进行读写操作。

3.2 SPI通信协议

ADS1120使用标准的SPI协议与外部MCU通信。其通信时序包括读写命令和数据传输。

• 写命令：MCU通过DIN引脚发送8位的写命令，格式为：[0x4x]，其中x是寄存器的地址。

• 读命令：MCU通过DIN引脚发送8位的读命令，格式为：[0x2x]，其中x是寄存器的地址。

• 数据传输：在发送写命令后，MCU接着发送8位的配置数据。在发送读命令后，ADS1120通过DOUT引脚将8位的寄存器数据发送给MCU。

例如，如果要将配置寄存器0（地址0x00）的MUX通道设置为差分输入AIN0/AIN1，PGA增益设置为128，命令序列如下：

1. MCU拉低CS引脚。

2. MCU发送写命令0x40（写配置寄存器0）。

3. MCU发送配置数据0x0F（MUX=000b, PGA=111b）。

4. MCU拉高CS引脚。

重要提示：在任何SPI通信序列中，CS引脚必须保持低电平。通信完成后，CS引脚拉高以结束本次通信。

3.3 DRDY引脚与数据读取

DRDY（数据准备）引脚是ADS1120的一个重要输出。当一次ADC转换完成后，DRDY引脚会从高电平变为低电平，通知MCU数据已经准备好可以读取。这是一种有效的同步机制，避免了MCU的轮询，从而节省了CPU资源。

当DRDY引脚变为低电平后，MCU可以执行以下步骤来读取转换结果：

1. MCU拉低CS引脚。

2. MCU发送读命令0x10（读取转换结果命令）。

3. ADS1120通过DOUT引脚发送24位（或16位，取决于配置）的转换结果。

4. MCU拉高CS引脚。

注意：ADS1120还支持一个名为RDATA（读取数据）的命令，其命令码为0x10。发送此命令后，ADS1120会自动发送转换结果。

3.4 初始化与配置流程

正确使用ADS1120通常需要遵循一个标准的初始化和配置流程：

1. 硬件连接：确保ADS1120的电源、地、模拟输入、基准电压以及SPI引脚都正确连接。

2. 上电复位：ADS1120上电后会自动复位，所有寄存器都恢复到默认值。如果需要，也可以通过SPI发送复位命令来强制复位。

3. 配置寄存器：通过SPI接口，按照应用需求依次配置CONFIG0到CONFIG3寄存器。例如，设置输入通道、PGA增益、数据速率和基准电压源等。

4. 开始转换：在连续转换模式下，一旦配置完成，ADC就会自动开始转换。在单次转换模式下，需要发送启动命令来触发一次转换。

5. 等待DRDY：MCU等待DRDY引脚变低，表示转换完成。

6. 读取数据：MCU通过SPI发送读数据命令，读取24位的转换结果。

7. 数据处理：根据配置，将读取到的数字值转换为实际的物理量（如电压、温度等）。

第四章：ADS1120的应用实例与电路设计

4.1 RTD（电阻温度检测器）测温应用

RTD测温是一种高精度的温度测量方法，通常使用PT100或PT1000等电阻。RTD的电阻随温度变化而变化，其电阻-温度关系可以近似为线性。为了测量RTD的电阻，通常采用惠斯通电桥或两线/三线/四线测量法。ADS1120集成的激励电流源和差分输入功能使其非常适合RTD测量。

四线制RTD测温电路设计：

四线制测量是RTD测温中最精确的方法，它可以消除引线电阻对测量结果的影响。ADS1120的两个激励电流源非常适合这种配置。

电路连接：

• RTD的一端接IEXC1，另一端接AIN0。

• RTD的测量引线一端接AIN1，另一端接AIN2。

• REF0P接RTD另一端的激励电流引线，REF0N接地。

• 使用一个高精度的参考电阻RREF，一端接IEXC2，另一端接REF0P。

• 将AIN0和AIN1配置为差分输入，测量RTD上的电压。

• 将REF0P和REF0N配置为基准电压输入，基准电压由$R_{REF}$上的压降提供。

工作原理： ADS1120的激励电流源IEXC1和IEXC2为RTD和$R_{REF}$提供相同的电流。根据欧姆定律，$V_{RTD} = I cdot R_{RTD}$，$V_{REF} = I cdot R_{REF}$。ADC测量的数字结果$N$与输入电压$V_{IN}和基准电压V_{REF}$的关系为：N=VIN/VREF⋅224（对于24位ADC）。在本例中，VIN=VRTD，$V_{REF}$为参考电阻上的压降。因此：N=(I⋅RRTD)/(I⋅RREF)⋅224=(RRTD/RREF)⋅224从这个公式可以看出，ADC的测量结果只与RTD电阻和参考电阻的比值有关，与激励电流I无关，这消除了激励电流源的漂移和不稳定性对测量结果的影响。因此，这种比率测量方法极大地提高了测量的准确性。

4.2 热电偶测温应用

热电偶是另一种常用的温度传感器，其工作原理是基于塞贝克效应，即两种不同金属的导体会因其两端温差而产生电压。这个电压非常小，通常只有微伏到毫伏级别，因此需要高增益的ADC来测量。同时，热电偶的输出电压与两端温差有关，因此需要对参考端（冷端）的温度进行补偿。ADS1120的PGA和内部温度传感器使其成为热电偶测量的优秀选择。

热电偶测温电路设计：

• 热电偶的正极接AIN0，负极接AIN1。

• 在热电偶的连接点附近放置ADS1120的芯片，或者放置一个独立的温度传感器（如热敏电阻）。ADS1120的内部温度传感器就可以用来测量这个“冷端”的温度。

• 电路连接：

• 热电偶正极 -> AIN0

• 热电偶负极 -> AIN1

• 在AIN0和AIN1之间需要串联一个低通滤波器来滤除高频噪声。

• 软件处理：

• 首先，配置ADS1120，使用PGA对热电偶的微弱信号进行高增益放大（例如，增益设置为64或128）。

• 然后，配置ADS1120，读取其内部温度传感器的温度值Tcold。

• 从热电偶的测量结果中，根据热电偶的型号（如K型、J型等），查表或通过公式计算出对应的温差。

• 将这个温差与冷端温度$T_{cold}$相加，得到被测物体的真实温度$T_{real} = T_{measured} + T_{cold}$。

4.3 称重传感器应用

应变片式称重传感器是一种常见的力学传感器，其输出电压信号也极为微弱，通常在毫伏级别，需要高增益和高精度的ADC。一个典型的称重传感器由四个应变片组成的惠斯通电桥构成。

称重传感器电路设计：

• 激励：为惠斯通电桥提供一个稳定的激励电压或电流。ADS1120内部的激励电流源也可以用于此目的，但更常见的是使用一个外部高精度基准电压源。

• 连接：

• 电桥的输出正极接AIN0。

• 电桥的输出负极接AIN1。

• 电桥的激励正极接REF0P。

• 电桥的激励负极接REF0N。

• 工作原理：

• 当电桥上的应变片受力形变时，其电阻发生微小变化，导致电桥输出一个微弱的差分电压VOUT。

• ADS1120将$V_{OUT}$作为输入，将电桥的激励电压作为基准电压。

• 由于ADS1120采用比率测量，ADC的输出结果N与$V_{OUT} / V_{EXC}$成正比。这种方法可以消除激励电压漂移带来的误差。

• PGA的应用：由于$V_{OUT}$非常小，需要将PGA增益设置为128，以充分利用ADC的动态范围，获得最高的测量精度。

• 零点校准：在无负载的情况下，电桥的输出应该为零。但在实际中，会存在零点漂移，因此需要进行零点校准，将无负载时的ADC读数作为偏移量进行补偿。

• 量程校准：在施加已知标准负载时，记录ADC读数，然后通过线性关系将ADC读数映射到实际重量。

第五章：ADS1120高级功能与调试技巧

5.1 内部诊断功能

为了提高系统的可靠性和鲁棒性，ADS1120内置了一些诊断功能，可以帮助工程师在系统运行中快速发现问题。

• 输入电压超出范围检测：ADS1120可以检测输入电压是否超出了其工作范围。如果输入电压过高或过低，芯片会通过状态寄存器中的标志位进行指示。

• 内部温度传感器故障检测：可以检测内部温度传感器是否正常工作。

• SPI通信校验：可以通过SPI接口读写特定的寄存器，来验证通信是否正常。

• 烧断电流源：ADS1120的烧断电流源可以用来检测传感器连接是否断开。通过向传感器引线施加一个微小电流，如果传感器断开，ADC的输入电压会迅速变化到电源轨，从而被检测出来。这个功能对于线缆较长的传感器应用非常有用。

5.2 功耗管理

ADS1120的低功耗特性使其在电池供电应用中具有显著优势。通过合理配置寄存器，可以进一步优化功耗。

• 单次转换模式（Single-Shot Mode）：在这种模式下，ADC只在接收到启动命令后进行一次转换，转换完成后立即进入低功耗待机模式。这对于需要间歇性采集数据的应用非常有效。

• 低功耗模式：ADS1120提供了多种数据速率，较低的数据速率通常意味着更低的功耗。通过选择合适的数据速率，可以在功耗和转换速度之间取得平衡。

• 使能/禁用功能模块：不使用的功能模块，如内部基准源、激励电流源和内部温度传感器，可以通过寄存器配置来禁用，以节省功耗。

5.3 调试技巧

在开发过程中，遇到问题是难免的。以下是一些ADS1120的常见问题和调试技巧。

• SPI通信失败：

• 检查硬件连接：确保SCLK、DIN、DOUT和CS引脚都正确连接。

• 检查电源：确保AVDD和DVDD供电正常，并且都在工作电压范围内。

• 检查时序：使用示波器检查SPI时序是否符合ADS1120数据手册的要求。特别是CS引脚的拉低和拉高时序、SCLK的时钟频率和占空比、DIN和DOUT的数据保持时间等。

• 检查寄存器地址：确保读写命令中的寄存器地址正确。

• ADC读数不准确：

• 检查基准电压源：确保使用的基准电压源稳定、准确。如果使用外部基准源，要确保其连接正确，并且没有受到噪声干扰。

• 检查模拟输入：确保模拟输入信号在ADS1120的输入范围内。如果信号太小，需要开启PGA进行放大。

• 噪声干扰：检查PCB布局，确保模拟地和数字地隔离良好，电源线上有足够的去耦电容。在模拟输入引脚附近放置RC滤波器，以滤除高频噪声。

• PGA增益设置：确保PGA增益设置正确，既不过大导致饱和，也不过小导致信噪比低。

• 校准：对于称重等应用，需要进行零点和量程校准以获得准确的读数。

• DRDY引脚不工作：

• 配置检查：确保CONFIG1寄存器中的DRDY使能位已设置。

• 工作模式：在单次转换模式下，需要发送启动命令才能触发一次转换。在连续转换模式下，DRDY会周期性地变低。

• GPIO配置：确保MCU的GPIO引脚配置为输入模式，并且正确读取其电平。

第六章：ADS1120与同类产品的比较

6.1 与ADS1220的比较

ADS1120和ADS1220是德州仪器推出的两款非常相似的ADC。它们在引脚、寄存器和功能上都有很多共通之处，但在分辨率和某些性能指标上有所不同。

• 分辨率：ADS1120是16位ADC，而ADS1220是24位ADC。这意味着ADS1220的分辨率更高，可以测量更微弱的信号，在需要极致精度的应用中表现更优。

• 性能：ADS1220通常具有更低的噪声和更高的有效分辨率，这使其在某些性能指标上优于ADS1120。

• 功耗：由于分辨率和性能的差异，ADS1220的功耗通常略高于ADS1120，但两者都属于低功耗ADC。

• 价格：由于更高的性能，ADS1220的价格通常比ADS1120高。

选择建议：

• 如果你的应用对精度要求非常高，且预算允许，ADS1220会是更好的选择，特别是对于称重传感器和高精度温度测量。

• 如果你的应用只需要16位的分辨率，且希望降低成本和功耗，ADS1120则是一个非常优秀的解决方案。

6.2 与ADS122C04的比较

ADS122C04是TI推出的另一款24位ADC，它与ADS1120/ADS1220系列有很多相似之处，但其最大的特点是使用了I2C接口，而非SPI接口。

• 接口：ADS122C04采用I2C接口，而ADS1120采用SPI接口。I2C接口通常只需要两根线（SCL和SDA），但其传输速率通常低于SPI。SPI接口则需要四根线（SCLK、DIN、DOUT和CS），但传输速率更快，且每个设备需要独立的CS引脚。

• 功能：ADS122C04的功能和性能与ADS1220类似，同样集成了PGA、激励电流源和温度传感器等。

• 封装：ADS122C04通常采用更小的封装，如VSSOP，这对于空间受限的应用非常有益。

选择建议：

• 如果你的系统已经有I2C总线，并且需要节省引脚，ADS122C04是一个很好的选择。

• 如果你的系统需要更高的通信速率或已经使用了SPI总线，ADS1120或ADS1220则更合适。

第七章：ADS1120的PCB布局与设计考量

7.1 PCB布局的重要性

在设计高精度模拟电路时，PCB布局的好坏直接影响到最终的测量精度和抗干扰能力。ADS1120是一款高精度ADC，其性能对PCB布局非常敏感。一个不合理的布局可能会引入噪声、漂移和串扰，导致ADC读数不准确或不稳定。

7.2 关键布局原则

• 地平面：使用一个完整的地平面是最佳实践。将数字地（DGND）和模拟地（AVSS）连接到同一个地平面上。在芯片的AVSS和DGND引脚附近，使用一个短的、宽的铜箔连接到地平面。

• 电源去耦：在ADS1120的AVDD和DVDD引脚附近，放置0.1µF和10µF的去耦电容。这些电容应该尽可能靠近引脚放置，并使用短而宽的走线连接到电源引脚和地平面。

• 模拟走线：

• 保持短而宽：模拟输入信号（AIN0-AIN3）和基准电压输入（REFPx, REFNx）的走线应该尽可能短，以减少噪声拾取和寄生电容。

• 隔离：将模拟走线与数字走线（如SCLK、DIN、DOUT）以及其他高频信号走线隔离开。如果无法避免交叉，应尽量以90度角交叉，以减少串扰。

• 屏蔽：如果模拟走线很长，可以使用地线包围走线进行屏蔽，但要注意不要形成闭环，以避免地回路。

• 基准电压源：如果使用外部基准电压源，应将其放置在尽可能靠近ADS1120的位置，并使用单独的、宽的走线连接到REFx引脚。在基准源输出引脚处放置去耦电容。

• 多层板设计：如果可能，建议使用多层PCB。将一个内层用作完整的地平面，这将极大地提高抗干扰能力。

7.3 实际案例分析

以RTD测温电路为例，一个合理的PCB布局应遵循以下原则：

1. 将ADS1120芯片放置在靠近RTD连接器和参考电阻的位置。

2. 将RTD的连接线、参考电阻、激励电流源的走线都安排在PCB的模拟区域，远离数字部分。

3. 在ADS1120的AVDD和DVDD引脚旁放置去耦电容。

4. 将RTD的四根引线（两根激励线和两根测量线）的走线进行包地或隔离，以减少噪声。

5. 确保SPI接口的走线与模拟走线有足够的距离，并且不要在模拟走线下方布线。

遵循这些原则，可以最大限度地发挥ADS1120的高精度性能，并确保系统在复杂的电磁环境中稳定可靠地工作。

总结：ADS1120作为一款高性能、高集成的16位（注：ADS1220是24位，ADS1120是16位，此处修正）精密ADC，凭借其可编程增益、低功耗、多通道输入和丰富的集成功能，在各种工业和便携式测量应用中展现了强大的竞争力。深入理解其内部结构、寄存器配置和通信协议，并结合合理的硬件设计和PCB布局，是充分发挥其性能的关键。希望这份详尽的中文资料能为你提供全面的指导和帮助。