ADS1256、ADS1232与ADS1220对比：如何为Arduino、ESP32、STM32和Raspberry Pi选择最佳24位ADC模块

选择24位ADC模块，并不是简单地购买采样率最高或通道数量最多的转换器。ADS1256、ADS1232和ADS1220虽然都是精密Delta-Sigma转换器，但它们分别面向不同的信号类型和系统架构。

ADS1256适合精密多通道数据采集。ADS1232针对称重传感器和电阻式桥式传感器进行了优化。ADS1220则将低功耗、可编程增益放大器、电压基准和激励电流源结合在一起，适用于温度和桥式传感器测量。

本指南将对比这些转换器，说明ADS1232引脚定义和ADS1256接线方法，并介绍如何避免噪声、输入范围和校准方面的错误。这些问题往往会导致标称24位的ADC无法提供真正可用的测量精度。

1. ADS1256、ADS1232还是ADS1220：应该选择哪种ADC？

快速选型建议

• 当您需要最多8个单端输入或4个差分输入，以及最高30 kSPS的数据速率时，请选择ADS1256。
• 对于工作在10或80 SPS的称重传感器、应变片、电子秤或桥式压力传感器，请选择ADS1232。
• 对于需要最高2 kSPS的RTD热电阻、热电偶、热敏电阻和桥式传感器，请选择ADS1220。
• 如果便捷的I2C连接和低速16位测量比最高速度更重要，请选择ADS1115。
• 如果需要带有集成温度传感器的16位SPI ADC，请选择ADS1118。
• 只有在ECG、呼吸阻抗或相关生物电势应用中，才应选择ADS1292R—不要将其作为通用传感器ADC使用。

什么时候微控制器内置ADC已经足够？

对于电位器、控制阈值、电池监测、操纵杆以及输出电压变化较大的传感器，Arduino、ESP32或STM32的内置ADC可能已经足够。

在增加外部模块之前，可以先将稳定电压源连接到MCU的ADC，并记录数千个读数。如果噪声、线性度、通道数量和采样率已经满足要求，外部转换器可能只会增加不必要的成本和复杂性。

STM32控制器还可以使用定时器和DMA，在几乎不占用CPU资源的情况下将ADC样本直接传输到内存。因此，内置ADC也适用于许多中速数据采集系统。

什么时候需要外部ADC模块？

当项目需要差分输入、可编程增益、精密电压基准、更多通道、更好的低频噪声性能，或者需要与噪声较大的无线微控制器隔离时，外部ADC模块会更有价值。

ESP32仍然是一款出色的无线控制器，但其内置ADC可能需要校准、输入旁路电容和多次采样。对于低电平压力、重量或温度传感器，使用外部转换器往往比尝试通过固件修正所有限制更加简单。

2. 如何评估24位ADC模块

分辨率与实际精度

24位ADC最多可以输出16777216个数字码，但这并不代表能够实现24位无噪声测量。有效位数、输入参考噪声、偏移、增益误差、非线性、电压基准稳定性和温度漂移共同决定了真正可用的信息量。

设计合理的16位测量系统，可能比使用噪声电源供电的24位开发板表现更好。应比较完整的信号链，而不是只关注宣传中的分辨率。

采样率和信号带宽

选择ADC之前，应先确定信号带宽。静态重量和温度测量的变化速度较慢，可以通过较低的输出数据速率和更强的数字滤波获得更好的结果。振动、音频、功率波形分析和脉冲捕获则需要明显更高的带宽。

理论上的最低采样率是最高信号频率的两倍，但实际系统还需要抗混叠滤波器和额外余量。同时还要区分ADC输出数据速率与SPI时钟速率。更快的SPI总线不能迫使ADC以更快的速度生成转换结果。

通道、复用和同步采样

ADS1256具有8个模拟输入，但内部采用的是复用式转换器。它不能同时以每通道30 kSPS的速率采样8个通道。所有通道共享转换能力，输入切换还会产生额外的配置和稳定时间。

如果通道之间的相位对齐非常重要，应选择具有独立同步转换器的ADC。例如，ADS1292R包含两个同步ADC通道，因为ECG应用所需的架构不同于通用复用式数据采集板。

SPI、I2C、电压基准和PGA

I2C占用的引脚较少，适合低速传感器系统。SPI通常能够提供更高的数据吞吐量和更可预测的时序。ADS1256和ADS1220使用兼容SPI的接口。ADS1232则采用更加简单的时钟和数据串行输出，主要由DRDY/DOUT和SCLK组成。

在选择模块之前，应核实模拟电源、数字逻辑电压、参考源、PGA增益范围、输入共模限制以及PCB上的外围元件。

3. ADS1256、ADS1232与ADS1220对比

ADC模块对比表

按应用选择最佳模块

对于电子秤，ADS1232通常是最直接的解决方案。对于热电偶、RTD热电阻或低功耗工业传感器，ADS1220提供了更多集成式传感器功能。对于需要以更高数据速率采集多个精密电压通道的系统，ADS1256则是更合适的选择。

ADS1292R适用于哪些场景？

ADS1292R应被视为生物传感模拟前端。它的同步通道、右腿驱动放大器、电极脱落检测和呼吸阻抗电路能够为ECG研究提供价值，但对于普通电压测量或称重传感器测量而言，这些功能会增加不必要的复杂性。

该模块用于评估、教学和原型开发。最终系统的设计人员仍需负责隔离、电气安全、验证以及适用的法规要求。

查看ADS1292R模块

4. ADS1232引脚定义和称重传感器接线

ADS1232引脚功能分组

ADS1232的引脚可以分为5个功能组。不同模块的排针顺序可能不同，因此应始终将电路板丝印和原理图与芯片文档进行对照。

如何连接称重传感器

• 将桥路的正激励线和负激励线连接到干净、稳定的激励电源。
• 条件允许时，应使用相同的激励电压作为ADC参考电压。这种比率测量方式能够减少激励电压漂移造成的误差。
• 将称重传感器的正信号线连接到AINP1，将负信号线连接到AINN1。
• 将DRDY/DOUT和SCLK连接到MCU的两个GPIO引脚。
• 根据预期的差分信号范围设置增益引脚。
• 首先使用10 SPS，以获得更低的噪声和更好的50/60 Hz干扰抑制效果。
• 在计算重量之前，应在未施加载荷的情况下执行偏移校准。

增益、速度、通道和校准引脚

GAIN1和GAIN0可选择1、2、64或128倍增益。SPEED可选择10或80 SPS。A0用于在两个差分输入对之间进行选择，而TEMP可以将内部温度传感器接入ADC。

ADS1232没有传统的配置寄存器，其主要工作模式通过引脚控制。偏移校准通过器件时序要求中规定的额外时钟脉冲启动。

ADS1232常见接线错误

当增益设置为64或128时，不要假设负模拟输入可以直接连接到地。放大器的共模范围受到限制。桥路的两个输出通常都位于激励电压的中点附近，这种电平适合进行差分测量。

其他常见错误还包括使用相互独立且不稳定的参考电源和激励电源、让配置引脚悬空、将数字时钟线路布置在桥式输入旁边，以及希望通过平均处理修正PGA过载。

5. 如何连接和测试ADS1256 ADC模块

ADS1256 SPI接线

• SCLK：来自控制器的SPI时钟信号。
• DIN：从控制器发送到ADC的SPI数据。
• DOUT：ADC输出的转换数据。
• CS：芯片选择信号。
• DRDY：低电平有效的转换就绪指示信号。
• PDWN/SYNC：掉电和同步控制。
• AIN0–AIN7：8个单端输入或4个差分输入。

在将模块连接到采用3.3 V逻辑的ESP32、STM32或Raspberry Pi之前，应检查开发板的准确原理图。使用5 V供电的模块并不代表它会自动兼容3.3 V GPIO。

推荐的初始化顺序

• 使用较为保守的时钟速率和正确的通信模式初始化SPI。
• 复位转换器，并遵守规定的启动延迟时间。
• 配置输入多路复用器、缓冲器、PGA和输出数据速率。
• 执行自偏移校准或系统校准。
• 在读取每个24位结果之前等待DRDY信号。
• 正确执行双极性转换数据的符号扩展。
• 使用实际参考电压和所选增益转换原始代码。

通道切换和稳定时间

30 kSPS指的是转换器的最高数据速率，并不是每个通道都能同时持续达到的速率。切换多路复用器后，应等待数字滤波器和模拟信号路径稳定，再接受测量结果。

较高的信号源阻抗会增加稳定时间。如果传感器或电阻分压器无法正确驱动输入，应使用合适的缓冲器，或降低通道切换速度要求。

校准和验证

应测试零点、中量程以及接近目标最大信号的位置，并记录平均值、标准差、峰峰值范围和随时间变化的漂移。还应在Wi-Fi、显示器、继电器和开关稳压器开启时重复测试。

使用稳定的电池或精密电压源，可以将ADC问题与传感器和放大器问题区分开来。校准可以修正偏移和增益，但无法消除随机噪声或不稳定的参考电压。

查看ADS1256 8通道ADC模块

6. 降低噪声和实际应用示例

如何降低ADC噪声

• 使用低噪声参考源，并遵守其电源去耦要求。
• 尽量缩短差分模拟走线和高阻抗模拟走线。
• 使时钟、天线、开关节点和显示信号远离模拟输入。
• 根据需要使用匹配的差分滤波电路。
• 远程传感器应使用双绞线或屏蔽电缆连接。
• 只有在解决硬件问题后，才能通过平均样本降低噪声。
• 测量低速信号时，应按完整的50 Hz或60 Hz电源周期进行积分。

对N个互不相关的样本求平均，可以将随机噪声的标准差降低约为原来的N的平方根分之一。但这种方法无法消除偏移、漂移、非线性、混叠或同步干扰。

电子秤和称重传感器示例

称重传感器会产生较小的差分电压。与通用MCU ADC搭配高增益通用运算放大器相比，ADS1232通常是更合适的起点，因为它集成了低噪声PGA以及专门面向桥式传感器的滤波功能。

应使用比率激励方式，从10 SPS开始，在空载状态下执行偏移校准，并评估机械振动的影响。气流、电缆移动、附近交通和建筑振动都可能表现为真实的称重传感器信号，而不是电子噪声。

8通道ESP32传感器数据记录器

对于4个温度传感器和4个压力传感器，首先应确定实际需要12位、16位还是24位有效分辨率。ADS1256提供8个复用输入和更高精度；如果吞吐量比小信号分辨率更重要，那么速度更快的12位8通道转换器可能更加合适。

较长的汽车传感器电缆还需要滤波、输入保护、正确接地和瞬态抑制。安装24位ADC并不能保护输入免受抛负载、ESD或地电位差的影响。

为什么100 MSPS项目需要不同类型的ADC？

ADS1256、ADS1232和ADS1220无法捕获纳秒级脉冲，也无法提供示波器级采样。100 MSPS项目需要专用高速ADC、合适的模拟前端、受控阻抗PCB设计，并且通常还需要FPGA或高吞吐量处理器。

7. ADC模块常见问题和最终选型清单

常见问题

ADS1220是I2C ADC吗？

不是。ADS1220使用兼容SPI的接口。如果产品页面将其描述为I2C，在接线之前应根据芯片规格进行核实。

24位ADC能够提供真正的24位精度吗？

不能。标称分辨率描述的是输出代码数量，而有效位数、无噪声分辨率、参考稳定性、偏移、非线性和模拟前端共同决定了实际可用精度。

ADS1256与ADS1232：哪个更适合称重传感器？

ADS1232通常更适合低速称重传感器或电子秤，因为它是专门针对桥式传感器设计的。当系统需要更多通道或更高数据速率时，ADS1256更加合适。

ADS1256与ADS1220：哪个速度更快？

ADS1256支持最高30 kSPS的数据速率，而ADS1220最高支持2 kSPS。ADS1220提供了针对低功耗温度和桥式传感器测量的集成功能。

ADS1256能否让8个通道分别以30 kSPS采样？

不能。它的输入共享一个复用式转换器，通道切换和滤波器稳定时间会降低每个通道可持续获得的数据速率。

ADS1292R是通用ADC吗？

ADS1292R可以将模拟信号数字化，但它是专门面向ECG和呼吸阻抗测量设计的模拟前端。其功能并未针对普通电压、温度或称重传感器项目进行优化。

ADC模块购买检查清单

• 所需信号带宽和输出数据速率
• 必须检测到的最小电压变化
• 实际有效位数和无噪声分辨率
• 单端、差分或同步通道
• 输入共模范围和绝对电压限制
• PGA范围和信号源阻抗要求
• 参考精度和温度漂移
• SPI、I2C或双线串行接口
• 模块与MCU之间的逻辑电平兼容性
• 多路复用器和数字滤波器的稳定时间
• 原理图、文档和元器件可追溯性
• 校准和环境测试要求

最终建议

称重传感器和电子秤可选择ADS1232；低功耗精密温度和桥式传感器可选择ADS1220；精密多通道数据采集可选择ADS1256。需要方便的低速I2C测量时可使用ADS1115；如果更倾向于使用类似的16位SPI转换器，可选择ADS1118。

不要只根据分辨率进行选择。应从信号带宽、输入范围、通道架构、参考源和目标噪声水平开始评估。设计正确的16位测量链，其性能可能优于供电不良或PCB布局不合理的24位模块。