ADS1256, ADS1232 или ADS1220: Как выбрать лучший 24-битный модуль АЦП для Arduino, ESP32, STM32 и Raspberry Pi

Выбор 24-битного модуля АЦП не сводится к покупке преобразователя с самой высокой частотой дискретизации или наибольшим количеством каналов. ADS1256, ADS1232 и ADS1220 являются прецизионными дельта-сигма-преобразователями, однако они рассчитаны на разные типы сигналов и архитектуры систем.

ADS1256 хорошо подходит для многоканального прецизионного сбора данных. ADS1232 оптимизирован для тензодатчиков и резистивных мостовых сенсоров. ADS1220 сочетает низкое энергопотребление с программируемым усилителем, источником опорного напряжения и источниками тока возбуждения для измерения температуры и работы с мостовыми датчиками.

В этом руководстве сравниваются данные преобразователи, рассматриваются назначение выводов ADS1232 и подключение ADS1256, а также объясняется, как избежать ошибок, связанных с шумом, входным диапазоном и калибровкой, из-за которых номинально 24-битный АЦП не обеспечивает полезную точность.

1. ADS1256, ADS1232 или ADS1220: какой АЦП выбрать?

Краткие рекомендации по выбору

• Выбирайте ADS1256, если требуется до восьми несимметричных или четырех дифференциальных входов и скорость передачи данных до 30 kSPS.
• Выбирайте ADS1232 для тензодатчика, тензорезистора, весов или мостового датчика давления, работающего со скоростью 10 или 80 SPS.
• Выбирайте ADS1220 для термометров сопротивления, термопар, термисторов и мостовых датчиков, которым требуется скорость до 2 kSPS.
• Выбирайте ADS1115, когда удобство интерфейса I2C и медленные 16-битные измерения важнее максимальной скорости.
• Выбирайте ADS1118, если требуется 16-битный АЦП с интерфейсом SPI и встроенным датчиком температуры.
• Выбирайте ADS1292R только для ЭКГ, измерения импеданса дыхания и связанных с ними биопотенциальных сигналов—не используйте его как универсальный АЦП для датчиков.

Когда встроенного АЦП микроконтроллера достаточно

Встроенного АЦП Arduino, ESP32 или STM32 может быть достаточно для потенциометров, контрольных порогов, мониторинга аккумуляторов, джойстиков и датчиков, создающих сравнительно большие изменения напряжения.

Перед добавлением внешнего модуля подключите стабильный источник напряжения к АЦП микроконтроллера и запишите несколько тысяч показаний. Если шум, линейность, количество каналов и частота дискретизации уже соответствуют требованиям, внешний преобразователь может лишь увеличить стоимость и сложность системы.

Контроллеры STM32 также могут использовать таймеры и DMA для передачи отсчетов АЦП непосредственно в память с минимальным участием процессора. Благодаря этому встроенный АЦП подходит для многих систем сбора данных средней скорости.

Когда необходим внешний модуль АЦП

Внешний АЦП полезен, когда проекту требуются дифференциальные входы, программируемое усиление, прецизионный источник опорного напряжения, дополнительные каналы, более низкий уровень низкочастотного шума или отделение от создающего помехи беспроводного микроконтроллера.

ESP32 остается отличным беспроводным контроллером, однако его встроенному АЦП могут потребоваться калибровка, шунтирующая емкость на входе и многократная выборка. Для низкоуровневых датчиков давления, веса или температуры использование внешнего преобразователя может оказаться проще, чем программная компенсация всех ограничений.

2. Как оценить 24-битный модуль АЦП

Разрешение и реальная точность

24-битный АЦП формирует до 16 777 216 цифровых кодов. Это не гарантирует 24 бита измерения без шума. Эффективное количество бит, приведенный ко входу шум, смещение, ошибка усиления, нелинейность, стабильность опорного напряжения и температурный дрейф определяют объем действительно полезной информации.

Правильно спроектированная 16-битная измерительная система может превзойти 24-битную отладочную плату, питающуюся от шумной линии. Сравнивайте всю сигнальную цепь, а не только заявленное разрешение.

Частота дискретизации и полоса пропускания сигнала

Перед выбором АЦП определите полосу пропускания сигнала. Измерения статического веса и температуры выполняются медленно и выигрывают от низкой выходной частоты данных и более интенсивной цифровой фильтрации. Для анализа вибрации, звука, формы электрических сигналов и регистрации импульсов требуется значительно более широкая полоса.

Теоретическая минимальная частота дискретизации в два раза превышает наивысшую частоту сигнала, однако практической системе необходимы антиалиасинговый фильтр и дополнительный запас. Также различайте выходную частоту данных АЦП и частоту шины SPI. Быстрая шина SPI не может заставить АЦП выполнять преобразования быстрее.

Каналы, мультиплексирование и одновременная выборка

ADS1256 имеет восемь аналоговых входов, но использует один мультиплексируемый преобразователь. Он не выполняет одновременную выборку восьми каналов со скоростью 30 kSPS на каждый канал. Каналы совместно используют ресурсы преобразования, а переключение входов требует времени на настройку и установление сигнала.

Если важна фазовая синхронизация каналов, выбирайте АЦП с отдельными одновременно работающими преобразователями. Например, ADS1292R содержит два канала АЦП с одновременной выборкой, поскольку для приложений ЭКГ требуется архитектура, отличная от универсальной мультиплексируемой платы сбора данных.

SPI, I2C, опорное напряжение и PGA

I2C использует меньше выводов и удобен для медленных сенсорных систем. SPI обычно обеспечивает более высокую пропускную способность и более предсказуемые временные характеристики. ADS1256 и ADS1220 используют интерфейсы, совместимые с SPI. ADS1232 использует более простой последовательный выход тактового сигнала и данных, состоящий главным образом из DRDY/DOUT и SCLK.

Не выбирайте модуль, пока не проверите его аналоговое питание, напряжение цифровой логики, источник опорного напряжения, диапазоны PGA, пределы синфазного входного сигнала и окружающие компоненты печатной платы.

3. Сравнение ADS1256, ADS1232 и ADS1220

Таблица сравнения модулей АЦП

Лучший модуль для каждого применения

Для электронных весов ADS1232 обычно является самым прямым решением. Для термопар, термометров сопротивления или маломощных промышленных датчиков ADS1220 предлагает больше встроенных функций. Для системы, собирающей данные с нескольких прецизионных каналов напряжения при более высокой скорости, ADS1256 является более подходящим кандидатом.

Для каких задач подходит ADS1292R

ADS1292R следует рассматривать как аналоговый интерфейс для биосенсоров. Каналы с одновременной выборкой, усилитель управления правой ногой, обнаружение отсоединения электродов и схема измерения импеданса дыхания полезны для исследований ЭКГ, но создают ненужную сложность при обычных измерениях напряжения или работе с тензодатчиками.

Модуль предназначен для оценки, обучения и разработки прототипов. Разработчик конечной системы несет ответственность за изоляцию, электрическую безопасность, проверку и соблюдение применимых нормативных требований.

Посмотреть модуль ADS1292R

4. Назначение выводов ADS1232 и подключение тензодатчика

Функциональные группы выводов ADS1232

Выводы ADS1232 можно разделить на пять функциональных групп. Порядок контактов на разъемах разных модулей может отличаться, поэтому всегда сверяйте маркировку платы и принципиальную схему с документацией микросхемы.

Как подключить тензодатчик

• Подключите положительный и отрицательный провода возбуждения моста к чистому источнику питания возбуждения.
• По возможности используйте то же напряжение возбуждения в качестве опорного напряжения АЦП. Такая ратиометрическая схема уменьшает ошибки, вызванные дрейфом напряжения возбуждения.
• Подключите положительный сигнальный провод тензодатчика к AINP1, а отрицательный — к AINN1.
• Подключите DRDY/DOUT и SCLK к двум выводам GPIO микроконтроллера.
• Настройте выводы усиления в соответствии с ожидаемым диапазоном дифференциального сигнала.
• Начните со скорости 10 SPS, чтобы снизить шум и подавить помехи частотой 50/60 Гц.
• Перед расчетом веса выполните калибровку смещения без приложенной нагрузки.

Выводы усиления, скорости, канала и калибровки

GAIN1 и GAIN0 задают коэффициент усиления 1, 2, 64 или 128. SPEED выбирает скорость 10 или 80 SPS. A0 переключает две пары дифференциальных входов, а TEMP может направить сигнал встроенного датчика температуры на АЦП.

ADS1232 не имеет традиционных конфигурационных регистров. Основные режимы работы управляются выводами. Калибровка смещения запускается с помощью дополнительных тактовых импульсов, определенных требованиями к временным характеристикам устройства.

Ошибки при подключении ADS1232

При коэффициенте усиления 64 или 128 не следует считать, что отрицательный аналоговый вход можно подключить непосредственно к земле. Усилитель имеет ограниченный диапазон синфазного сигнала. Оба выхода моста обычно находятся около середины напряжения возбуждения, что подходит для дифференциального измерения.

К другим распространенным ошибкам относятся использование отдельных нестабильных источников опорного напряжения и возбуждения, оставление конфигурационных выводов неподключенными, прокладка цифровых тактовых сигналов рядом со входом моста и ожидание того, что усреднение исправит перегрузку PGA.

5. Как подключить и протестировать модуль АЦП ADS1256

Подключение ADS1256 по SPI

• SCLK: тактовый сигнал SPI от контроллера.
• DIN: данные SPI от контроллера к АЦП.
• DOUT: данные преобразования от АЦП.
• CS: сигнал выбора микросхемы.
• DRDY: активный низкий сигнал готовности преобразования.
• PDWN/SYNC: управление пониженным энергопотреблением и синхронизацией.
• AIN0–AIN7: восемь несимметричных или четыре дифференциальных входа.

Перед подключением модуля к ESP32, STM32 или Raspberry Pi с логикой 3,3 В проверьте точную принципиальную схему отладочной платы. Модуль с питанием 5 В не обязательно автоматически совместим с GPIO уровня 3,3 В.

Рекомендуемая последовательность инициализации

• Инициализируйте SPI с умеренной тактовой частотой и правильным режимом связи.
• Сбросьте преобразователь и соблюдайте требуемую задержку запуска.
• Настройте входной мультиплексор, буфер, PGA и выходную скорость данных.
• Выполните самокалибровку смещения или системную калибровку.
• Перед чтением каждого 24-битного результата дождитесь сигнала DRDY.
• Правильно выполните знаковое расширение биполярных данных преобразования.
• Преобразуйте необработанные коды с учетом фактического опорного напряжения и выбранного усиления.

Переключение каналов и установление сигнала

Характеристика 30 kSPS обозначает максимальную скорость данных преобразователя, а не постоянную скорость для каждого канала одновременно. После переключения мультиплексора дайте цифровому фильтру и аналоговому сигнальному тракту время на установление, прежде чем принимать результат измерения.

Высокое выходное сопротивление источника может увеличить время установления. Если датчик или резистивный делитель не способен правильно управлять входом, используйте подходящий буфер либо уменьшите требуемую скорость переключения каналов.

Калибровка и проверка

Проверьте ноль, середину диапазона и точку рядом с максимальным предполагаемым сигналом. Запишите среднее значение, стандартное отклонение, размах от пика до пика и дрейф во времени. Повторите проверку при включенных Wi-Fi, дисплеях, реле и импульсных стабилизаторах.

Используйте стабильный аккумулятор или прецизионный источник напряжения, чтобы отделить проблемы АЦП от проблем датчика и усилителя. Калибровка может исправить смещение и усиление, но не способна устранить случайный шум или нестабильность опорного напряжения.

Посмотреть 8-канальный модуль АЦП ADS1256

6. Снижение шума и реальные примеры применения

Как уменьшить шум АЦП

• Используйте малошумящий источник опорного напряжения и соблюдайте требования к его развязке.
• Делайте дифференциальные и высокоомные аналоговые дорожки короткими.
• Размещайте тактовые линии, антенны, переключающие узлы и сигналы дисплеев вдали от аналоговых входов.
• При необходимости используйте согласованную дифференциальную фильтрацию.
• Подключайте удаленные датчики витой парой или экранированным кабелем.
• Усредняйте отсчеты только после устранения аппаратных проблем.
• При измерении медленных сигналов выполняйте интегрирование по полным периодам электросети 50 Гц или 60 Гц.

Усреднение N некоррелированных отсчетов уменьшает стандартное отклонение случайного шума приблизительно в квадратный корень из N раз. Оно не устраняет смещение, дрейф, нелинейность, наложение спектров или синхронные помехи.

Пример электронных весов с тензодатчиком

Тензодатчик создает небольшое дифференциальное напряжение. ADS1232 обычно является лучшей отправной точкой, чем универсальный АЦП микроконтроллера в сочетании с универсальным операционным усилителем высокого усиления, поскольку он содержит малошумящий PGA и фильтрацию, предназначенную для мостовых датчиков.

Используйте ратиометрическое возбуждение, начните со скорости 10 SPS, выполните калибровку смещения без нагрузки и оцените механические вибрации. Воздушные потоки, движение кабеля, транспорт поблизости и вибрация здания могут восприниматься как реальные сигналы тензодатчика, а не как электронный шум.

Восьмиканальный регистратор датчиков на ESP32

Для четырех датчиков температуры и четырех датчиков давления сначала определите, требуется ли 12, 16 или 24 полезных бита. ADS1256 предоставляет восемь мультиплексируемых входов и более высокую точность, тогда как более быстрый восьмиканальный 12-битный преобразователь может быть предпочтительнее, если пропускная способность важнее разрешения слабых сигналов.

Длинные кабели автомобильных датчиков также требуют фильтрации, защиты входов, правильного заземления и подавления переходных процессов. Установка 24-битного АЦП не защищает вход от импульсов сброса нагрузки, электростатического разряда или разности потенциалов земли.

Почему для проектов со скоростью 100 MSPS нужен другой АЦП

ADS1256, ADS1232 и ADS1220 не способны регистрировать наносекундные импульсы или обеспечивать дискретизацию уровня осциллографа. Для проекта со скоростью 100 MSPS необходимы специализированный высокоскоростной АЦП, подходящий аналоговый интерфейс, печатная плата с контролируемым импедансом и зачастую FPGA или высокопроизводительный процессор.

7. Часто задаваемые вопросы о модулях АЦП и итоговый контрольный список

Часто задаваемые вопросы

Является ли ADS1220 АЦП с интерфейсом I2C?

Нет. ADS1220 использует интерфейс, совместимый с SPI. Перед подключением необходимо сверять описания товаров, в которых он указан как I2C, с техническими характеристиками микросхемы.

Обеспечивает ли 24-битный АЦП точность 24 бита?

Нет. Номинальное разрешение описывает количество выходных кодов. Полезную точность определяют ENOB, разрешение без шума, стабильность опорного напряжения, смещение, нелинейность и аналоговый входной тракт.

ADS1256 или ADS1232: что лучше для тензодатчика?

ADS1232 обычно лучше подходит для медленного тензодатчика или весов, поскольку он разработан для мостовых сенсоров. ADS1256 целесообразнее использовать, когда требуются дополнительные каналы или более высокая скорость данных.

ADS1256 или ADS1220: какой преобразователь быстрее?

ADS1256 поддерживает скорость данных до 30 kSPS, а ADS1220 — до 2 kSPS. ADS1220 содержит встроенные функции, ориентированные на маломощные системы измерения температуры и мостовые датчики.

Может ли ADS1256 выполнять выборку восьми каналов со скоростью 30 kSPS на каждый?

Нет. Его входы совместно используют мультиплексируемый преобразователь. Переключение каналов и установление цифрового фильтра снижают постоянную скорость, доступную каждому каналу.

Является ли ADS1292R универсальным АЦП?

Он способен оцифровывать аналоговые сигналы, но специально разработан как аналоговый интерфейс для ЭКГ и измерения импеданса дыхания. Его набор функций не оптимизирован для обычных проектов измерения напряжения, температуры или работы с тензодатчиками.

Контрольный список при покупке модуля АЦП

• Требуемая полоса пропускания сигнала и выходная скорость данных
• Минимальное изменение напряжения, которое необходимо обнаружить
• Фактическое значение ENOB и разрешение без шума
• Несимметричные, дифференциальные или одновременно работающие каналы
• Пределы синфазного и абсолютного входного напряжения
• Диапазон PGA и требования к выходному сопротивлению источника
• Точность опорного напряжения и температурный дрейф
• Интерфейс SPI, I2C или двухпроводной последовательный интерфейс
• Совместимость логических уровней модуля и микроконтроллера
• Время установления мультиплексора и цифрового фильтра
• Наличие схемы, документации и прослеживаемость компонентов
• Требования к калибровке и испытаниям в условиях окружающей среды

Итоговые рекомендации

Выбирайте ADS1232 для тензодатчиков и электронных весов, ADS1220 для маломощных прецизионных датчиков температуры и мостовых сенсоров, а ADS1256 — для многоканального прецизионного сбора данных. Используйте ADS1115 для удобных низкоскоростных измерений по I2C и ADS1118, когда предпочтителен аналогичный 16-битный преобразователь с интерфейсом SPI.

Не выбирайте АЦП только по разрешению. Начните с полосы пропускания сигнала, входного диапазона, архитектуры каналов, источника опорного напряжения и целевого уровня шума. Правильно спроектированная 16-битная измерительная цепь может превзойти 24-битный модуль с плохим питанием или неудачной разводкой платы.