一、概述
ADS1291 是由德州仪器（Texas Instruments，TI）推出的一款专为生物电信号采集设计的高性能、低功耗 24 位 ΔΣ（Delta-Sigma）模数转换器。该器件集成了可编程增益放大器（PGA）、内置参考源、振荡器和多种电源管理功能，能够在极低噪声的情况下实现高精度、生物电级别的微弱信号测量。由于其集成度高、尺寸小巧、功耗极低（典型工作电流仅数十微安），ADS1291 广泛应用于可穿戴心电（ECG）监护设备、便携式脑电（EEG）记录仪、运动监测设备及其他需要高分辨率模拟前端的生物医学电子系统中。

二、主要参数
在进行系统选型和设计之前，了解 ADS1291 的主要电气参数至关重要。

• 分辨率：24 位，内置 72 dB 动态范围的 ΔΣ 调制器，理论最小分辨率可达到 0.00005% FSR（满量程范围）。

• 采样速率：可编程，支持 125 SPS、250 SPS、500 SPS、1000 SPS 和 2000 SPS（采样点数/秒）等多种速率，以匹配不同应用对带宽和功耗的需求。

• 输入噪声：在 500 SPS、增益 1 设置下，典型噪声低至 2.7 μV_pp（峰-峰），实现对微弱生物电信号的精确测量。

• 增益设置：集成 PGA，可选增益等级为 1、2、4、6、8、12、24。通过软件配置，即可灵活调整输入信号的放大倍数，以适应不同幅度的信号源。

• 输入范围：当增益设置为 1 时，单端输入模式下满量程为 ±2.4 V；当增益设置为 24 时，满量程缩小为 ±100 mV，满足微弱信号测量要求。

• 功耗：在 500 SPS 下典型工作电流约为 15 μA；在 2 kSPS 时约为 25 μA，支持多种低功耗工作模式，符合可穿戴设备的续航需求。

• 接口：采用标准 SPI（或 TI 专有的 SSPI）数字接口，与主控 MCU 或 DSP 连接简便；支持全双工通信模式，最高时钟频率可达 4 MHz。

• 电源电压：模拟电源（AVDD）和数字电源（DVDD）可独立供电，范围均为 2.7 V 至 5.25 V；内置电压监测，可在电源波动时保持转换精度。

• 工作温度：商业级（–40 ℃ 至 +85 ℃），确保在各种环境条件下可靠工作。

三、工作原理
ADS1291 的核心是一对差分 ΔΣ 调制器，用于将模拟输入信号转换为高比特宽度的数字比特流。以下为其主要工作流程：

1. 前端放大：输入信号首先进入 PGA，经过可编程增益放大，以提高信号幅度，优化调制器的信噪比。

2. ΔΣ 调制：经放大后的信号进入 ΔΣ 调制器，利用过采样和噪声整形技术，将模拟波形转换成高频数字比特流。ΔΣ 调制通过将量化噪声集中于高频，再通过后续数字滤波去除，实现极高分辨率。

3. 数字滤波与抽取：内部数字滤波器对调制器输出的比特流进行滤波，并按照设定的抽取率（decimation）输出定点格式数据。抽取率与采样率一一对应，如在 500 SPS 下使用某一级滤波器。

4. 寄存器配置与 SPI 读取：转换结果存入内部寄存器，主控器件通过 SPI 接口轮询或中断方式读取最新数据。寄存器同时可配置工作模式、增益、采样率、电源模式等参数。

5. 内部参考与校准：ADS1291 内置 2.4 V 参考电压，可用于 PGA 和调制器的基准；同时支持对内部偏置、增益进行自校准，保持长期测量精度。

四、特性优势
ADS1291 在同类产品中具有多项显著优势：

• 超低功耗：典型工作电流仅 15 μA（500 SPS），在待机模式下可降至 1 μA 以下，大幅延长电池续航。

• 高集成度：集成 PGA、参考源、振荡器，无需外部元件即可构建完整的模拟前端，降低设计复杂度与 PCB 面积。

• 高分辨率：24 位 ΔΣ 架构配合高性能数字滤波，实现优异的动态范围与噪声性能，适合微弱生物电信号采集。

• 灵活配置：增益、采样率、电源模式均可通过寄存器编程灵活切换，兼顾性能与功耗。

• 小尺寸封装：4 mm×4 mm QFN-16 封装，适合集成到空间受限的可穿戴和便携产品中。

• 稳定可靠：商业级温度范围，并具备内置电源监测和温度补偿功能，确保长期稳定性。

五、主要功能

1. 单通道差分测量：支持 1 个差分输入通道，简化多通道同步测量需求时的级联设计。

2. 可选输入模式：既可做差分输入，也可做单端输入，灵活兼容多种传感器设计。

3. 内置电压参考：提供 2.4 V 精密参考，并具备外部参考引脚，满足不同精度需求。

4. 内部温度传感器：用于系统状态监测与温度补偿，提升测量准确性。

5. 电源管理：多种省电模式：正常、待机、关断，通过软件即可切换，功耗从数十微安到亚微安级。

6. 硬件校准：可通过命令触发偏移和增益校准，方便出厂测试或现场维护。

7. 数据就绪标志：DRDY 引脚在数据更新时拉低，主控可通过中断方式高效获取新数据。

六、应用领域
ADS1291 的高性能与低功耗使其成为生物医学信号采集的首选器件：

• 可穿戴心电监护（ECG）：小型化贴片式心电仪、运动手环等需要长时间采集心电波形的设备。

• 便携式脑电记录（EEG）：现场脑神经活动监测、睡眠研究仪器。

• 运动生理监测：结合心率、呼吸率等信号的综合健康监测系统。

• 家用健康终端：家用心电、睡眠检测、远程医疗设备。

• 科研级信号采集：实验室生物信号研究，需高分辨率、低噪声的数据采集仪器。

七、常见问题与设计注意事项

• 输入阻抗匹配
  生物电极和导联线会形成较高源阻抗，需在设计中注意与 ADS1291 PGA 输入端的阻抗匹配，避免共模电压误差。可在输入端加高精度运放做缓冲。

• 电源去耦与布局
  模拟电源 AVDD 与数字电源 DVDD 要分别去耦，使用贴片电容靠近器件脚位。同时模拟与数字地分开回路，最后在单点汇合，减少数字开关噪声对模拟测量的影响。

• PCB 走线规则
  差分输入线路应相互并行且等长，远离高频时钟线和电源线。模拟地平面应尽量完整，避免地环路。

• 参考电压稳定性
  虽然内置了精密参考，但针对对测量精度要求极高的系统，建议使用外部高精度参考，并在参考管脚加足够去耦。

• 输入保护
  生物信号测量可能受到静电或开合电极造成的瞬态冲击，设计时可在输入端增加限流电阻和 TVS 二极管保护。

• 温度漂移校正
  长时间测量和环境温度变化会引起零点漂移，可利用内部温度传感器数据做实时补偿。

八、型号对比

可见 ADS1291 在单通道低功耗领域具有优势，若需更多通道可选用 ADS1292R 或 ADS1293；若需多达 8 通道，则可考虑 ADS1298。

九、选型指导

1. 通道数量：若只需单通道测量，ADS1291 体积最小、功耗最低；若需多通道，可考虑 ADS1292R（双通道）或 ADS1293（3 通道）。

2. 功耗与采样率平衡：对于长期监护设备，可选择 250–500 SPS 采样率以降低功耗；需要快速响应时，可提升至 1000–2000 SPS。

3. 系统尺寸与成本：ADS1291 QFN-16 封装最小，外部元件最少，适合对尺寸和成本敏感的可穿戴设备。

4. 信号幅度范围：根据生物电极输出幅度，选择合适的 PGA 增益；ADS1291 最大可加 24 倍增益，满足 ±100 mV 量级。

5. 电源与线路布局：若系统已有稳定参考源，可禁用内部参考，使用外部高精度基准；若布局空间有限，内部参考即可满足大多数应用。

十、未来趋势与发展
随着可穿戴设备、远程医疗和智慧健康管理的迅猛发展，对生物电信号采集前端的性能和功能提出了更高要求。ADS1291 未来的发展方向及产业应用趋势主要体现在以下几个方面：

1. 多模态传感融合
   未来的医学监护设备不仅仅局限于单一心电或脑电信号采集，而是倾向于将心电（ECG）、脑电（EEG）、体温、血氧和血压等多种生理信号进行同步采集与融合分析。ADS1291 及其后续产品线将可能集成更多通道输入、支持更丰富的外部传感器接口，并通过片内或片外 DSP 加速多通道信号的实时预处理与特征提取。

2. 边缘智能与低功耗 AI
   边缘计算和人工智能算法在健康监测场景中应用日益广泛。未来 ADS1291 系列或会与 TI 自身的低功耗 MCU（如 MSP430、C2000）或专用 AI 加速器无缝耦合，实现心律失常检测、脑电病理波形识别等算法在本地运行，减少对云端的依赖，提升响应速度与数据隐私保护。芯片厂商也可能提供硬件加速库，简化 AI 模型部署流程。

3. 超低功耗与能量采集
   尽管 ADS1291 已具备微安级功耗表现，但未来可穿戴产品对续航的苛刻需求仍在持续增长。下一代器件或通过进一步优化 ΔΣ 调制架构和功率管理，实现更低的待机和动态功耗。同时，结合热电或运动能量采集模块，为生物电前端提供“自供电”能力，助力真正“免换电池”式的长期监护。

4. 高集成度与系统级封装（SiP）
   随着系统级封装（System-in-Package，SiP）技术成熟，ADS1291 未来有望与运放、数字控制器、电源管理芯片等多器件一体化，形成小体积、高密度的“全功能生物电前端模块”。这将大幅缩减 PCB 布局难度与空间占用，为超小型贴片式健康贴或智能隐形设备提供可能。

5. 符合医疗及无线规范
   医疗级设备对可靠性、EMC（电磁兼容）和功能安全（如 ISO 13485、IEC 60601-1）有严格要求。未来 ADS1291 平台及相关评估板将更加完善符合医疗器械认证的测试报告与参考设计。同时，集成蓝牙 Low Energy、NB-IoT、LoRa 等无线通信功能的子系统，也将成为趋势，方便设备与云端或智能手机安全、稳定地互联。

6. 开放生态与开发支持
   TI 将继续丰富其软件生态，为 ADS1291 提供更完善的驱动库、参考固件和配套 GUI 工具，帮助开发者快速搭建原型。开源社区的参与也将推动更多算法、应用案例和用户文档的共享，加速产品从概念验证到量产的周期。

十一、参考设计与评估板
针对不同的应用场景，TI 官方提供了多款基于 ADS1291 的评估板和参考设计，这些设计已优化电路布局、器件选型与软件驱动，可大幅缩短从原理验证到产品打样的周期。常见的评估板与参考设计包括：

• ADS1291EVM-EP：这是最基础的评估板，集成了 ADS1291 芯片、差分输入接口跳线、标准 SPI 接口连接排针以及电源管理电路（包括 LDO 与去耦电容）。该评估板支持外挂精密外部参考电源，并附带简单的 GUI 演示程序，可实时显示通道数据，并导出 CSV 文件进行离线分析。

• PADS-AFE-EVAL：这是一个系统级参考设计板，除 ADS1291 之外，还集成了低噪声前级运放、校准参考源、温度补偿电路和 BLE 模块。该板提供完整的 BOM、PCB 布局文件以及软件固件示例，适用于快速搭建可穿戴 ECG 设备原型。

• ADS1x9x-ExG-PDK：该开发套件支持 ADS1291、ADS1292、ADS1293 等多个型号，板上预留多通道连接位置，通过插拔式跳线可灵活选择采集通道数。软件包中包含基于 TI RTOS 的驱动层、示例应用与 PC 端 Data Logger 工具，方便用户在多通道场景下进行同步验证。

这些参考设计在 PCB 区域划分上严格区分了模拟电源区、数字电源区与无线通信区，通过单点接地、分区去耦和走线屏蔽，有效抑制了数字开关噪声对模拟测量的干扰。用户可直接基于官方设计进行二次开发，也可参考其布局手法将 ADS1291 集成到自有产品中。

十二、开发者支持与软件工具
为了帮助工程师快速上手，TI 提供了丰富的软件资源与调试工具：

1. TI Resource Explorer
   在 TI Resource Explorer 中，搜索 “ADS1291” 可获得最新的驱动库、示例代码、LabVIEW 驱动、MATLAB 脚本以及技术文档。示例代码涵盖 I2C/SPI 接口初始化、寄存器配置、连续数据读取、校准流程和电源管理等常见场景。

2. Embedded GUI for ADS1x9x Devices
   这是一款基于 Windows 平台的图形化配置与数据采集软件，支持在线修改增益、采样率、功耗模式等寄存器设置，并可实时绘制时域波形、频谱分析和统计直方图。用户只需将评估板通过 USB 转串口连接至 PC，即可无缝使用该软件进行功能验证。

3. Code Composer Studio™（CCS）和 TI-RTOS
   TI 官方驱动包提供针对 Code Composer Studio 的工程模板，可快速生成基于 C2000、MSP430 或 ARM 的项目框架。配合 TI-RTOS 中的 SPI 驱动和电源管理库，可实现多任务并发、数据缓存管理和低功耗切换策略，为嵌入式系统开发提供强大支持。

4. 第三方生态与社区
   除 TI 官方资源之外，开源社区如 GitHub 上也有众多基于 Arduino、Raspberry Pi 或 ESP32 平台的 ADS1291 驱动与应用项目。通过参考这些社区贡献的代码，开发者可快速将 ADS1291 与各种开源硬件、物联网云平台对接，实现远程健康监测与数据可视化。

十三、实际应用案例与性能测试
在多个高校和企业的项目中，ADS1291 已得到成功应用：

• 可穿戴心电贴片：某高校科研团队利用 ADS1291 设计了一款轻薄心电贴片，使用可降解基板和微型封装评估板，单次贴附可连续监测 72 小时心电波形，功耗控制在平均 20 μW。实验数据显示，其 R 波检测准确率达到 99.8%，QRS 波群分辨率优于 5 μV。

• 便携式多参数监护仪：一家医疗器械企业将 ADS1291 与 ADS1292R 结合，设计了一款四通道生物信号采集模块，可同步采集 ECG、PPG（光电容积脉搏波）与皮肤电反应（GSR）。通过内部 FPGA 对 8 通道数据做实时滤波与特征提取，整体系统响应延迟低于 10 ms。

• 睡眠呼吸监测仪：借助 ADS1291 的低噪声特性，某研究中心在睡眠实验中对 EEG α 波（8–13 Hz）和 θ 波（4–8 Hz）进行了长达 14 小时的连续监测，数据丢包率小于 0.01%，为睡眠阶段判定算法提供了高质量原始数据。

在性能测试方面，标准化测试流程包括：噪声测试（短输入端接地）、失调电压与增益误差校准测量、总谐波失真（THD）与信噪比（SNR）评估，以及温度漂移测试。多数测试结果表明，ADS1291 在带宽内能够达到 85 dB 以上 SNR，并在 –40 ℃ 至 +85 ℃ 范围内保持失调漂移低于 ±5 μV。

通过以上案例与测试报告，可见 ADS1291 在高精度、生物电前端领域具备卓越表现，并已被多种产品和研究项目所采用，其稳定的性能与丰富的开发资源为工程师提供了极大便利。