ADS1256 vs. ADS1232 vs. ADS1220: So wählen Sie das beste 24-Bit-ADC-Modul für Arduino, ESP32, STM32 und Raspberry Pi

Bei der Auswahl eines 24-Bit-ADC-Moduls geht es nicht einfach darum, den Wandler mit der höchsten Abtastrate oder der größten Anzahl an Kanälen zu kaufen. ADS1256, ADS1232 und ADS1220 sind zwar allesamt präzise Delta-Sigma-Wandler, wurden jedoch für unterschiedliche Signale und Systemarchitekturen entwickelt.

Der ADS1256 ist eine leistungsfähige Wahl für die präzise Mehrkanal-Datenerfassung. Der ADS1232 ist für Wägezellen und resistive Brückensensoren optimiert. Der ADS1220 kombiniert einen niedrigen Stromverbrauch mit einem programmierbaren Verstärker, einer Spannungsreferenz und Erregerstromquellen für Temperatur- und Brückenmessungen.

Dieser Leitfaden vergleicht diese Wandler, erläutert die Anschlussbelegung des ADS1232 sowie die Verdrahtung des ADS1256 und zeigt, wie sich Fehler bei Rauschen, Eingangsbereich und Kalibrierung vermeiden lassen, die verhindern, dass ein nomineller 24-Bit-ADC tatsächlich eine brauchbare Präzision liefert.

1. ADS1256, ADS1232 oder ADS1220: Welchen ADC sollten Sie wählen?

Schnelle Auswahlempfehlungen

• Wählen Sie den ADS1256, wenn Sie bis zu acht massebezogene oder vier differenzielle Eingänge und Datenraten von bis zu 30 kSPS benötigen.
• Wählen Sie den ADS1232 für eine Wägezelle, einen Dehnungsmessstreifen, eine Waage oder einen Brückendrucksensor mit 10 oder 80 SPS.
• Wählen Sie den ADS1220 für RTDs, Thermoelemente, Thermistoren und Brückensensoren, die Datenraten von bis zu 2 kSPS benötigen.
• Wählen Sie den ADS1115, wenn eine komfortable I2C-Anbindung und langsame 16-Bit-Messungen wichtiger sind als maximale Geschwindigkeit.
• Wählen Sie den ADS1118, wenn Sie einen 16-Bit-SPI-ADC mit integriertem Temperatursensor benötigen.
• Wählen Sie den ADS1292R ausschließlich für EKG-, Respirationsimpedanz- oder verwandte Biopotenzial-Anwendungen—nicht als universellen Sensor-ADC.

Wann der interne ADC eines Mikrocontrollers ausreicht

Der interne ADC eines Arduino, ESP32 oder STM32 kann für Potentiometer, Schaltschwellen, Batterieüberwachung, Joysticks und Sensoren mit relativ großen Spannungsänderungen ausreichend sein.

Bevor Sie ein externes Modul hinzufügen, schließen Sie eine stabile Spannungsquelle an den MCU-ADC an und zeichnen Sie mehrere Tausend Messwerte auf. Wenn Rauschen, Linearität, Kanalzahl und Abtastrate die Anforderungen bereits erfüllen, kann ein externer Wandler unnötige Kosten und Komplexität verursachen.

STM32-Mikrocontroller können außerdem Timer und DMA verwenden, um ADC-Abtastwerte mit geringer CPU-Belastung direkt in den Speicher zu übertragen. Dadurch eignet sich ein interner ADC für viele Datenerfassungssysteme mittlerer Geschwindigkeit.

Wann Sie ein externes ADC-Modul benötigen

Ein externer ADC ist sinnvoll, wenn das Projekt differenzielle Eingänge, programmierbare Verstärkung, eine präzise Spannungsreferenz, zusätzliche Kanäle, ein besseres Rauschverhalten bei niedrigen Frequenzen oder eine Trennung von einem störungsreichen Funk-Mikrocontroller erfordert.

Der ESP32 bleibt ein hervorragender Funkcontroller, sein interner ADC kann jedoch eine Kalibrierung, einen Bypass-Kondensator am Eingang und Mehrfachabtastung erfordern. Bei Druck-, Gewichts- oder Temperatursensoren mit kleinen Ausgangssignalen kann ein externer Wandler einfacher sein, als jede Einschränkung in der Firmware zu korrigieren.

2. So bewerten Sie ein 24-Bit-ADC-Modul

Auflösung im Vergleich zur realen Genauigkeit

Ein 24-Bit-ADC erzeugt bis zu 16.777.216 digitale Codes. Das bedeutet jedoch nicht, dass 24 rauschfreie Messbits zur Verfügung stehen. Die effektive Anzahl an Bits, eingangsbezogenes Rauschen, Offset, Verstärkungsfehler, Nichtlinearität, Stabilität der Referenzspannung und Temperaturdrift bestimmen, wie viele Informationen tatsächlich nutzbar sind.

Ein korrekt entwickeltes 16-Bit-Messsystem kann bessere Ergebnisse liefern als ein 24-Bit-Breakout-Board, das über eine störungsreiche Versorgungsschiene gespeist wird. Vergleichen Sie daher die gesamte Signalkette und nicht nur die beworbene Auflösung.

Abtastrate und Signalbandbreite

Definieren Sie die Signalbandbreite, bevor Sie einen ADC auswählen. Statische Gewichts- und Temperaturmessungen sind langsam und können von niedrigen Ausgabedatenraten sowie einer stärkeren digitalen Filterung profitieren. Vibrationen, Audiosignale, Leistungswellenformanalysen und Impulserfassungen erfordern eine wesentlich höhere Bandbreite.

Die theoretische Mindestabtastrate beträgt das Doppelte der höchsten Signalfrequenz. Praktische Systeme benötigen jedoch zusätzlich einen Anti-Aliasing-Filter und eine Sicherheitsreserve. Unterscheiden Sie außerdem zwischen der Ausgabedatenrate des ADC und der SPI-Taktrate. Ein schneller SPI-Bus kann den ADC nicht dazu zwingen, schneller neue Wandlungsergebnisse zu erzeugen.

Kanäle, Multiplexing und simultane Abtastung

Der ADS1256 besitzt acht analoge Eingänge, enthält jedoch nur einen multiplexierten Wandler. Er tastet nicht acht Kanäle gleichzeitig mit jeweils 30 kSPS ab. Die Kanäle teilen sich die Wandlungskapazität, und das Umschalten der Eingänge verursacht zusätzlichen Konfigurations- und Einschwingaufwand.

Wenn die Phasenausrichtung zwischen den Kanälen wichtig ist, wählen Sie einen ADC mit separaten simultanen Wandlern. Der ADS1292R enthält beispielsweise zwei simultane ADC-Kanäle, da EKG-Anwendungen eine andere Architektur als universelle, multiplexierte Datenerfassungsplatinen erfordern.

SPI, I2C, Referenz und PGA

I2C benötigt weniger Pins und eignet sich gut für langsame Sensorsysteme. SPI bietet im Allgemeinen einen höheren Datendurchsatz und besser vorhersehbare Zeitabläufe. ADS1256 und ADS1220 verwenden SPI-kompatible Schnittstellen. Der ADS1232 nutzt eine einfachere serielle Takt- und Datenschnittstelle, die hauptsächlich aus DRDY/DOUT und SCLK besteht.

Wählen Sie kein Modul aus, bevor Sie dessen analoge Versorgung, digitale Logikspannung, Referenzquelle, PGA-Verstärkungsbereiche, Gleichtaktgrenzen der Eingänge und die umgebenden PCB-Komponenten überprüft haben.

3. Vergleich von ADS1256, ADS1232 und ADS1220

Vergleichstabelle der ADC-Module

Bestes Modul nach Anwendung

Für eine elektronische Waage ist der ADS1232 im Allgemeinen die direkteste Lösung. Für ein Thermoelement, RTD oder einen stromsparenden Industriesensor bietet der ADS1220 mehr integrierte Sensorfunktionen. Bei einem System, das mehrere präzise Spannungskanäle mit höheren Datenraten erfasst, ist der ADS1256 der stärkere Kandidat.

Wo der ADS1292R einzuordnen ist

Der ADS1292R sollte als analoges Frontend für Biosignale betrachtet werden. Seine simultanen Kanäle, der Right-Leg-Drive-Verstärker, die Erkennung abgelöster Elektroden und die Schaltung zur Messung der Respirationsimpedanz bieten Vorteile für die EKG-Forschung, verursachen bei gewöhnlichen Spannungs- oder Wägezellenmessungen jedoch unnötige Komplexität.

Das Modul ist für Evaluierung, Ausbildung und Prototypenentwicklung vorgesehen. Der Entwickler des fertigen Systems bleibt für Isolation, elektrische Sicherheit, Validierung und geltende regulatorische Anforderungen verantwortlich.

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4. ADS1232-Anschlussbelegung und Verdrahtung einer Wägezelle

Funktionsgruppen der ADS1232-Anschlüsse

Die Anschlussbelegung des ADS1232 lässt sich in fünf Funktionsgruppen unterteilen. Die Reihenfolge der Modulanschlüsse kann variieren. Vergleichen Sie daher stets den Platinenaufdruck und den Schaltplan mit der Dokumentation des Chips.

So schließen Sie eine Wägezelle an

• Verbinden Sie die positive und negative Erregerleitung der Brücke mit einer sauberen Erregerspannungsversorgung.
• Verwenden Sie nach Möglichkeit dieselbe Erregerspannung als ADC-Referenz. Diese ratiometrische Anordnung reduziert Fehler, die durch eine Drift der Erregerspannung entstehen.
• Verbinden Sie die positive Signalleitung der Wägezelle mit AINP1 und die negative Signalleitung mit AINN1.
• Verbinden Sie DRDY/DOUT und SCLK mit zwei GPIO-Pins des Mikrocontrollers.
• Stellen Sie die Verstärkungsanschlüsse entsprechend dem erwarteten differenziellen Signalbereich ein.
• Beginnen Sie mit 10 SPS, um das Rauschen zu reduzieren und Störungen mit 50/60 Hz besser zu unterdrücken.
• Führen Sie vor der Gewichtsberechnung eine Offsetkalibrierung ohne angelegte Last durch.

Anschlüsse für Verstärkung, Geschwindigkeit, Kanal und Kalibrierung

GAIN1 und GAIN0 wählen eine Verstärkung von 1, 2, 64 oder 128. SPEED wählt 10 oder 80 SPS. A0 wählt zwischen den beiden differenziellen Eingangspaaren, während TEMP den internen Temperatursensor mit dem ADC verbinden kann.

Der ADS1232 besitzt keine herkömmlichen Konfigurationsregister. Seine wichtigsten Betriebsarten werden über Anschlüsse gesteuert. Die Offsetkalibrierung wird mithilfe zusätzlicher Taktimpulse gestartet, die in den Timing-Anforderungen des Bauteils definiert sind.

Fehler bei der ADS1232-Verdrahtung

Gehen Sie bei einer Verstärkung von 64 oder 128 nicht davon aus, dass der negative Analogeingang direkt mit Masse verbunden werden kann. Der Verstärker besitzt einen eingeschränkten Gleichtaktbereich. Beide Brückenausgänge liegen normalerweise nahe der Mitte der Erregerspannung, was für eine differenzielle Messung geeignet ist.

Weitere häufige Fehler sind getrennte und instabile Referenz- und Erregerspannungen, nicht beschaltete Konfigurationsanschlüsse, digitale Taktleitungen neben dem Brückeneingang sowie die Annahme, dass eine Mittelwertbildung einen übersteuerten PGA korrigieren könne.

5. So schließen Sie ein ADS1256-ADC-Modul an und testen es

ADS1256-SPI-Verdrahtung

• SCLK: SPI-Taktsignal vom Controller.
• DIN: SPI-Daten vom Controller zum ADC.
• DOUT: Wandlungsdaten vom ADC.
• CS: Chip-Select-Signal.
• DRDY: Aktiv-Low-Anzeige für eine abgeschlossene Wandlung.
• PDWN/SYNC: Steuerung für Energiesparmodus und Synchronisierung.
• AIN0–AIN7: Acht massebezogene oder vier differenzielle Eingänge.

Überprüfen Sie den genauen Schaltplan der Breakout-Platine, bevor Sie sie mit einem ESP32, STM32 oder Raspberry Pi mit 3,3-V-Logik verbinden. Ein mit 5 V versorgtes Modul ist nicht automatisch mit 3,3-V-GPIO kompatibel.

Empfohlene Initialisierungssequenz

• Initialisieren Sie SPI mit einer konservativen Taktrate und dem korrekten Kommunikationsmodus.
• Setzen Sie den Wandler zurück und beachten Sie die erforderliche Startverzögerung.
• Konfigurieren Sie Eingangsmultiplexer, Puffer, PGA und Ausgabedatenrate.
• Führen Sie eine Selbst-Offset- oder Systemkalibrierung durch.
• Warten Sie auf DRDY, bevor Sie jedes 24-Bit-Ergebnis auslesen.
• Führen Sie die Vorzeichenerweiterung bipolarer Wandlungsdaten korrekt durch.
• Konvertieren Sie die Rohcodes anhand der tatsächlichen Referenzspannung und der gewählten Verstärkung.

Kanalumschaltung und Einschwingverhalten

Die Angabe von 30 kSPS bezeichnet die maximale Datenrate des Wandlers und nicht die dauerhaft erreichbare Rate für jeden Kanal gleichzeitig. Geben Sie dem digitalen Filter und dem analogen Signalpfad nach dem Umschalten des Multiplexers ausreichend Zeit zum Einschwingen, bevor Sie den Messwert übernehmen.

Eine hohe Quellenimpedanz kann die Einschwingzeit verlängern. Wenn ein Sensor oder Widerstandsteiler den Eingang nicht korrekt treiben kann, verwenden Sie einen geeigneten Puffer oder reduzieren Sie die erforderliche Geschwindigkeit der Kanalumschaltung.

Kalibrierung und Validierung

Testen Sie den Nullpunkt, die Mitte des Messbereichs und einen Punkt nahe dem maximal vorgesehenen Signal. Erfassen Sie Mittelwert, Standardabweichung, Spitze-zu-Spitze-Streuung und Drift über die Zeit. Wiederholen Sie den Test bei aktiviertem WLAN, Displays, Relais und Schaltreglern.

Verwenden Sie eine stabile Batterie oder eine Präzisionsspannungsquelle, um ADC-Probleme von Sensor- und Verstärkerproblemen zu unterscheiden. Eine Kalibrierung kann Offset- und Verstärkungsfehler korrigieren, jedoch kein zufälliges Rauschen oder eine instabile Referenzspannung beseitigen.

ADS1256-ADC-Modul mit 8 Kanälen ansehen

6. Rauschreduzierung und praktische Anwendungsbeispiele

So reduzieren Sie ADC-Rauschen

• Verwenden Sie eine rauscharme Referenz und beachten Sie deren Entkopplungsanforderungen.
• Halten Sie differenzielle und hochohmige analoge Leiterbahnen kurz.
• Halten Sie Taktsignale, Antennen, Schaltknoten und Displaysignale von den Analogeingängen fern.
• Verwenden Sie bei Bedarf symmetrisch abgestimmte differenzielle Filter.
• Verbinden Sie entfernte Sensoren über verdrillte oder geschirmte Kabel.
• Mitteln Sie Abtastwerte erst, nachdem Hardwareprobleme behoben wurden.
• Integrieren Sie bei langsamen Messsignalen über vollständige Netzperioden von 50 Hz oder 60 Hz.

Die Mittelung von N unkorrelierten Abtastwerten reduziert die Standardabweichung des zufälligen Rauschens ungefähr um die Quadratwurzel aus N. Offset, Drift, Nichtlinearität, Aliasing und synchrone Störungen werden dadurch jedoch nicht entfernt.

Beispiel für eine elektronische Waage und Wägezelle

Eine Wägezelle erzeugt eine kleine differenzielle Spannung. Der ADS1232 ist normalerweise ein besserer Ausgangspunkt als ein universeller MCU-ADC in Kombination mit einem hochverstärkenden Standard-Operationsverstärker, da er einen rauscharmen PGA und speziell für Brückensensoren vorgesehene Filter integriert.

Verwenden Sie eine ratiometrische Erregung, beginnen Sie mit 10 SPS, führen Sie eine Offsetkalibrierung ohne Last durch und untersuchen Sie mechanische Vibrationen. Luftströmungen, Kabelbewegungen, Verkehr in der Nähe und Gebäudeschwingungen können als echte Wägezellensignale statt als elektronisches Rauschen erscheinen.

ESP32-Sensordatenlogger mit acht Kanälen

Bestimmen Sie bei vier Temperatur- und vier Drucksensoren zunächst, ob 12, 16 oder 24 tatsächlich nutzbare Bits erforderlich sind. Der ADS1256 bietet acht multiplexierte Eingänge und eine höhere Präzision. Ein schnellerer 12-Bit-Wandler mit acht Kanälen kann jedoch geeigneter sein, wenn der Datendurchsatz wichtiger ist als die Auflösung kleiner Signale.

Lange Sensorkabel in Fahrzeugen erfordern außerdem Filterung, Eingangsschutz, korrekte Erdung und Unterdrückung transienter Spannungen. Der Einbau eines 24-Bit-ADC schützt einen Eingang nicht vor Load-Dump-Impulsen, ESD oder Massepotenzialunterschieden.

Warum Projekte mit 100 MSPS einen anderen ADC benötigen

ADS1256, ADS1232 und ADS1220 können keine Impulse im Nanosekundenbereich erfassen und keine Abtastung auf Oszilloskopniveau bereitstellen. Ein Projekt mit 100 MSPS erfordert einen speziellen Hochgeschwindigkeits-ADC, ein geeignetes analoges Frontend, ein PCB-Design mit kontrollierter Impedanz und häufig ein FPGA oder einen Prozessor mit hohem Datendurchsatz.

7. Häufig gestellte Fragen zu ADC-Modulen und abschließende Auswahlliste

Häufig gestellte Fragen

Ist der ADS1220 ein I2C-ADC?

Nein. Der ADS1220 verwendet eine SPI-kompatible Schnittstelle. Produktangebote, die ihn als I2C-Modul beschreiben, sollten vor der Verdrahtung anhand der Chipspezifikationen überprüft werden.

Bietet ein 24-Bit-ADC tatsächlich eine Genauigkeit von 24 Bit?

Nein. Die nominelle Auflösung beschreibt die Anzahl der Ausgabecodes. ENOB, rauschfreie Auflösung, Referenzstabilität, Offset, Nichtlinearität und das analoge Frontend bestimmen die nutzbare Genauigkeit.

ADS1256 oder ADS1232: Welcher ist besser für eine Wägezelle?

Der ADS1232 eignet sich normalerweise besser für eine langsame Wägezelle oder Waage, da er speziell für Brückensensoren entwickelt wurde. Der ADS1256 ist besser geeignet, wenn zusätzliche Kanäle oder höhere Datenraten erforderlich sind.

ADS1256 oder ADS1220: Welcher ist schneller?

Der ADS1256 unterstützt Datenraten von bis zu 30 kSPS, während der ADS1220 bis zu 2 kSPS unterstützt. Der ADS1220 bietet integrierte Funktionen für stromsparende Temperatur- und Brückensensormessungen.

Kann der ADS1256 acht Kanäle mit jeweils 30 kSPS abtasten?

Nein. Seine Eingänge teilen sich einen multiplexierten Wandler. Kanalumschaltung und Filtereinschwingzeit reduzieren die dauerhaft verfügbare Datenrate pro Kanal.

Ist der ADS1292R ein universeller ADC?

Er kann analoge Signale digitalisieren, wurde jedoch speziell als analoges Frontend für EKG- und Respirationsimpedanzmessungen entwickelt. Sein Funktionsumfang ist nicht für gewöhnliche Spannungs-, Temperatur- oder Wägezellenprojekte optimiert.

Checkliste für den Kauf eines ADC-Moduls

• Erforderliche Signalbandbreite und Ausgabedatenrate
• Kleinste zu erfassende Spannungsänderung
• Tatsächliche ENOB und rauschfreie Auflösung
• Massebezogene, differenzielle oder simultane Kanäle
• Gleichtakt- und Absolutspannungsgrenzen der Eingänge
• PGA-Bereich und Anforderungen an die Quellenimpedanz
• Referenzgenauigkeit und Temperaturdrift
• SPI-, I2C- oder serielle Zweidrahtschnittstelle
• Kompatibilität der Logikpegel von Modul und MCU
• Einschwingzeit von Multiplexer und Digitalfilter
• Schaltplan, Dokumentation und Rückverfolgbarkeit der Komponenten
• Anforderungen an Kalibrierung und Umwelttests

Abschließende Empfehlungen

Wählen Sie den ADS1232 für Wägezellen und elektronische Waagen, den ADS1220 für stromsparende Präzisionsmessungen mit Temperatur- und Brückensensoren und den ADS1256 für die präzise Mehrkanal-Datenerfassung. Verwenden Sie den ADS1115 für komfortable, langsame I2C-Messungen und den ADS1118, wenn ein vergleichbarer 16-Bit-Wandler mit SPI bevorzugt wird.

Treffen Sie Ihre Auswahl nicht allein anhand der Auflösung. Beginnen Sie mit Signalbandbreite, Eingangsbereich, Kanalarchitektur, Referenz und angestrebtem Rauschniveau. Eine korrekt entwickelte 16-Bit-Messkette kann bessere Ergebnisse liefern als ein 24-Bit-Modul mit schlechter Stromversorgung oder ungeeignetem Platinenlayout.