使用ADS1115

2021-05-24

使用ADS1115

ADS1115是一款精密的16位ADC，具有四個(gè)多路復用輸入-您可以單獨使用每個(gè)輸入，也可以成對使用每個(gè)輸入進(jìn)行差分測量。它具有內部校準的基準，可實(shí)現高精度。

這個(gè)ads1115教程向您展示如何設置庫來(lái)驅動(dòng)芯片，以及如何使用不同的PGA增益設置獲取讀數。它還介紹了即使僅使用單電源供電的設備也能夠測量負電壓的方法。這使其可用作電流吸收器或電流源測量設備。

有關(guān)芯片的重要信息：

具有16位分辨率。

可以根據PGA設置檢測到0.187mV至7.8uV。

可以采樣8到860 SPS。

具有內部參考電壓。

具有內部PGA（可編程增益放大器）。

該設備的典型精度為0.01％（但最大精度為0.15％）。該精度包括所有誤差源（參考電壓，增益誤差，失調和噪聲）。

ADS1115接線(xiàn)板

ADS1115詳細信息

ADS1115規格

[1] FSR±2.048V
[2]包括來(lái)自參考電壓和PGA的所有誤差。

ADS1115框圖

數據表中的圖片

ADS1115引腳排列

ADS1115精度

有趣的圖顯示了設備的真正功能，數據表中的圖19所示：

總誤差與輸入信號

注意系統的準確性如何包括所有錯誤源：

獲得錯誤，

差分輸入誤差

偏移誤差

和噪音。

ADS1115 I2C尋址

您可以使用四個(gè)地址之一來(lái)設置ADS1115，因此可以在單個(gè)I2C總線(xiàn)上放置4個(gè)ADS1115芯片：

    0x48、0x49、0x4a，0x4b。

尋址控制是不常見(jiàn)的，因為您只需要使用一個(gè)輸入引腳作為地址控制引腳即可。

通常，您需要兩個(gè)輸入才能在4個(gè)地址之間切換，但是ADS1115 16位ADC使用的是巧妙的方案。對單個(gè)地址輸入進(jìn)行連續采樣，如果將其連接到GND，VDD，SDA或SCL，則可以分別從0x48、0x49、0x4a和0x4b設置地址。

ADS1115省電

連續模式

在連續轉換模式下，ADS1115的靜態(tài)電流高達150uA。在這種模式下，您可以讓ADS1115在8Hz至860Hz之間采樣。

單發(fā)模式

ADS1115的默認模式是單次模式，該模式下器件喚醒，進(jìn)行測量然后返回睡眠狀態(tài)。睡眠時(shí)，該芯片僅消耗0.5uA的典型電流。由于設備在上電時(shí)進(jìn)入此模式，因此不會(huì )產(chǎn)生啟動(dòng)電流的激增。

注意：命令界面在掉電模式下仍處于活動(dòng)狀態(tài)，因此您仍然可以從芯片中獲取數據！

該芯片和模式非常適合需要精確度的電池供電設備。由于超小型封裝（X2QFN）的尺寸僅為2 mm x 1.5 mm x？0.4毫米

性能與噪聲之間的權衡

低速平均

如果以低速運行ADS1115，則內部采樣率不會(huì )降低，因為這是delta sigma轉換器通過(guò)過(guò)采樣操作的方式。內部振蕩器設置為1MHz，并降低至ADC時(shí)鐘的250kHz。

在活動(dòng)模式下，將連續收集樣本。這些樣本在內部進(jìn)行平均，從而改善了噪聲性能。這也節省了您的處理時(shí)間，即您不必在微控制器中執行平均。

因此，如果要獲得最佳的噪聲性能，請以8Hz（最低采樣率）運行采樣率。

低采樣率的唯一缺點(diǎn)是設備必須連續開(kāi)啟，因此必須始終使用電源。如果您更關(guān)心節省功率，而又不太擔心噪聲性能，則可以實(shí)施突發(fā)模式操作。

高速Speed Burst模式

在微控制器的控制下，您可以實(shí)現突發(fā)模式以節省功耗。數據表建議您使用連續模式下使用功率的1/100。這樣您就可以平均使用1.5uA的電流。

這類(lèi)似于焦耳小偷電路，在該電路中，存儲在電感器中的能量突發(fā)會(huì )在短時(shí)間內使LED產(chǎn)生脈沖。您可以獲得足夠的可用光，但平均功率降低了。

為了如上所述模擬8SPS速率，您將使ADS1115每125ms（1 / 125e-3 = 8）8 Hz拍攝一次單次信號（您可以通過(guò)微控制器代碼中的計時(shí)器設置此重復率）。

您還可以將ADS1115的SPS速率設置為860Hz，以獲得高速捕獲。當然，您可以將兩次捕獲之間的時(shí)間間隔更改為每秒或每小時(shí)，以進(jìn)一步節省電量。

ADS1115處于低電流模式時(shí)，單次讀數僅需花費1.2ms的時(shí)間，剩下的時(shí)間就不存在了。這是ad1115轉換延遲，并在數據表中進(jìn)行了說(shuō)明。

注意： ADS1115大約需要25us上電-很好！

使用ALERT / READY引腳

ALERT / Ready引腳有兩種用途。第一個(gè)是“比較器閾值”警報（默認模式）。第二個(gè)是“ ADC讀取準備就緒”警報。您必須設置一些寄存器以操作ADC就緒ALERT模式。

閾值檢測

ADS1115有一個(gè)內部比較器，可將信號輸出到ALERT引腳（默認模式）。您可以使用此功能自動(dòng)檢測超出范圍的條件（由閾值寄存器設置）。COMP_QUE寄存器允許您指定斷言警報之前有多少轉換超出上限或下限。

ALERT引腳為開(kāi)漏引腳，因此需要上拉電阻。

比較器有兩個(gè)閾值（高和低）。當輸入信號在閾值之間時(shí)，ALERT信號設置為高電平（窗口比較器模式）。您可以使用COMP_POL反轉Alert輸出信號。

ADC就緒中斷信號

該引腳的另一種用途是用作ADC就緒信號。如果將引腳設置為ADC就緒信號，則可以將其饋入微控制器上的外部中斷引腳，以便獲取ADC讀數。

檢測ADC是否已完成的另一種方法是讀取寄存器值（配置寄存器位15），但是由于要進(jìn)行I2C事務(wù)，因此這當然會(huì )花費更多的時(shí)間。

注意：轉換就緒信號是一個(gè)8us寬（高）脈沖，表示轉換在下降沿可用。

要將芯片設置為轉換就緒模式，請設置以下寄存器：

將高閾值寄存器的MSB設置為1
    [例如，Hi_thresh = 0x8000]。
將低閾值寄存器的MSB設置為0
    [例如，Lo_thresh = 0x0000]。
將比較器隊列控制位設置為00（0x11以外的任何值）
    [例如COMP_QUE [1：0] = 0]。
    配置寄存器＆=配置寄存器0x0003; //清除b0，b1。

輸入多路復用器

您可以使用輸入多路復用器在4個(gè)單端輸入0?FSR或兩個(gè)差分輸入±FSR之間選擇。但是，還有另一種MUX模式，該模式使用AIN3作為AIN0，AIN1和AIN2的參考作為該參考的差分輸入。

您可以在下圖的左側看到MUX：

從圖中還不清楚，但是MUX具有3種模式：
輸入信號參考地（所有4個(gè)輸入都是可選的）
    AIN0（+）?GND（-），
    AIN1（+）?GND（-），
    AIN2（+） ?GND（-）。
    AIN3（+）?GND（-）。
兩個(gè)差分輸入：
    AIN0（+）?AIN1（-），
    AIN2（+）?AIN3（-）。
三個(gè)參考輸入：
    AIN0（+）?AIN3（-），
    AIN1（+）?AIN3（-），
    AIN2（+）?AIN3（-）。
請參見(jiàn)數據表“配置寄存器”以控制此操作。

PGA增益設定

ADS1115中的增益設置寄存器確實(shí)具有標準值，例如x2 x4等（除了最大的2/3值），更容易想到滿(mǎn)量程讀數的分辨率和量程功能。數據表的排列方式是這樣的-因為該器件使用內部固定的基準電壓源。

您只需要選擇接近所測信號的最佳范圍即可（或在前面添加一個(gè)放大器來(lái)設置范圍）。

您不能像其他ADC一樣通過(guò)添加外部基準電壓來(lái)更改FSR值。范圍和分辨率如下表所示。

滿(mǎn)量程分辨率

盡管ADS1115具有16位分辨率，但它使用二進(jìn)制補碼來(lái)表示一個(gè)值（MSB表示符號位）。這實(shí)際上是一個(gè)15位分辨率的ADC，能夠進(jìn)行負電壓和正電壓測量（在GND至V DD的電源范圍內！

這樣，從GND到正滿(mǎn)量程電壓的輸入信號就具有15位的分辨率，而從GND到負滿(mǎn)量程電壓的分辨率則為15位。但是，ADS1115只能測量低于地面的-300mV。

當使用差分模式和電平轉換運算放大器將輸入信號移至GDN至V DD范圍內時(shí)，才真正使用±15bit分辨率。有一個(gè)例外：

要獲得±FSR，您可以使用256mV范圍，或使用輸入運算放大器來(lái)對輸入進(jìn)行電平轉換和縮放，或者使用差分輸入）?；蛘?，將一個(gè)輸入用作其他兩個(gè)輸入的參考。

注意：從上表中可以看到，15位分辨率仍然是非常準確的分辨率。

如上所述，可測量的輸入電壓下降到負300mV。

在最低PGA增益值下，您可以使用器件的滿(mǎn)量程分辨率（±256mV），這也適合ADS1115的-300mV測量能力。

因此，即使僅使用單個(gè)電源芯片，您也可以制造一種能夠測量灌電流和灌電流的電流測量設備。為此，您將使用合適的測量電阻器并對其進(jìn)行差分測量。負電壓能力測試結果在這里。

選擇較高的PGA增益仍然可以讓您以較低的分辨率測量負值。

關(guān)于PGA設置的注意事項

可編程增益設置寄存器（PGA）允許8個(gè)值，但最后3個(gè)值均提供相同的增益，因此對于PGA值為5、6和7的FSR為256mV。

因此，共有6種可用設置，允許FSR分別為±6.144V，±4.096V，±2.048V，±1.024V，±0.512V，±0.256V。

輸入電壓范圍

絕對最大電壓輸入為：

     -0.3V?7V

測量電壓范圍是：

    GND-0.3V?VDD + 0.3V。

請記住，測量范圍是固定的，因此最大可測量輸入電壓為±6.144V。

測試負電壓輸入

我曾是 不確定是否可以測量負電壓，尤其是使用ADS1115的單電源供電時(shí)。數據表確實(shí)表明它能夠在-256mV的范圍內進(jìn)行測量，并且在-300mV以上的電壓下不會(huì )爆炸。

事實(shí)證明這是對的，因為我通過(guò)將-5V電源小心地連接到10k電位計并調整抽頭（確保其不低于-300mV）來(lái)測試輸入，其值是-100mV，-260mV 

這是-260mV輸入的結果：

A1：-260.437mV PGA：6144 mv acc：187.5uV

A1：-260.375mV PGA：4096 mv acc：125uV

A1：-260.375mV PGA：2048 mv acc：62.5uV

A1：-259.969mV PGA：1024 mv acc：31.25uV

A1：-259.234mV PGA：512 mv acc：15.625uV

A1：-256.016mV PGA：256 mv acc：7.8125uV

警報/ RDY 0

這是-100mV（大約）輸入的結果：

A1：-104.625mV PGA：6144 mv acc：187.5uV

A1：-104.500mV PGA：4096 mv acc：125uV

A1：-104.500mV PGA：2048 mv acc：62.5uV

A1：-104.531mV PGA：1024 mv acc：31.25uV

A1：-104.484mV PGA：512 mv acc：15.625uV

A1：-104.499mV PGA：256 mv acc：7.8125uV

警報/ RDY 0

對于-260mV測量，您可以看到256mV的FSR達到了滿(mǎn)量程，這是您所期望的-這是針對256mV的PGA增益設置（因為260mV高于256mV的量程能力）。

您還可以看到，對于所有PGA增益，都正確測量了-100mV讀數。

因此，這證實(shí)了ADS1115無(wú)需單獨的電源即可讀取低至-256mV最小測量能力的負電壓。

注意：此輸出的ADS1115 arduino代碼可在頁(yè)面的下方找到。

ADS1115 ADC FSR

正輸出的滿(mǎn)量程值為：

        0x7FFF

負輸出的滿(mǎn)量程值為：

        0x8000

ADC的正值是0x0001，負值是0xFFFF（負2是0xFFFE）。

警告：對于單端測量，在測量0V時(shí)，由于器件失調，您仍然會(huì )獲得負ADC值。

差速器怎么處理？

一種 差分測量使用兩個(gè)輸入，一個(gè)用于低端，一個(gè)用于高端電壓，因此您可以測量電路中任何一點(diǎn)的電壓差。正常的單端測量（Ardiuno ADC）只能測量參考到地的電壓。

您可以具有一組差分輸入或一組差分輸入（如下所示）：

兩個(gè)差分輸入：
    AIN0（+）?AIN1（-），
    AIN2（+）?AIN3（-）。

其他配置在這里。

通常，您需要跨小而準確的電阻進(jìn)行測量以確定電流。ADS1115可以測量正負電壓。

差分測量是通過(guò)使用設備內的差分放大器（運算放大器）實(shí)現的瞬時(shí)測量。此測量的最大優(yōu)勢在于，由于跨被測元件的噪聲信號相同，因此消除了共模噪聲誤差。因此，噪聲被減去。

使用差分測量的另一個(gè)原因是，您可能希望測量未參考到地的電壓，例如，電流檢測電阻器未在一側接地，而是在電路中的其他位置。這就是所謂的高端測量，即兩個(gè)測量電壓都遠不接近零。

軟件

Arduino IDE：版本1.8.9+

I2Cdev庫

I2Cdevlib具有ADS1115庫代碼以及許多其他設備的代碼。

該庫具有很多功能，受支持的芯片，并且可以在多個(gè)處理器上運行，但是安裝涉及更多一點(diǎn)，因此您不能使用自動(dòng)Arduino zip文件安裝程序。

ADS1115 Arduino庫

解壓縮文件（ic2devlib-master），然后導航到ic2devlib-master中的Arduino目錄。將目錄ADS1115和I2Cdev復制到Arduino庫目錄（通常在Windows上）：

    C：\ Users \ <用戶(hù)名> \ Documents \ Arduino \ libraries

庫代碼警告

256mV范圍的常數已設置為四舍五入的值。

導航至ADC1115.h并更改以下行：

    #define ADS1115_MV_0P256 0.007813
    #define ADS1115_MV_0P256B 0.007813
    #define ADS1115_MV_0P256C 0.007813

至    

    #define ADS1115_MV_0P256 0.0078125
    #define ADS1115_MV_0P256B 0.0078125
    #define ADS1115_MV_0P256C 0.0078125

硬件

組件

Arduino Uno R3。

ADS1115轉接板。

連接線(xiàn)。

100nF電容器。

1萬(wàn)鍋。

連接數

為了進(jìn)行測試，請使用Arduino Uno并按如下所示進(jìn)行連接：

Arduino的	ADS1115
5伏	VDD
地線(xiàn)	地線(xiàn)
A5	SCL
A4	SDA
地線(xiàn)	地址
2個(gè)	警報
10k鍋的雨刷器。	A1

注意：將10k電位器的兩端連接到5V和GND。
在5V和GND之間連接100nF電容器。 

ADS1115面包板布局

使用ADS1115的Arduino示例

草圖示例1

您可以使用以下程序通過(guò)輪詢(xún)來(lái)測試ADS1115：

要查看注冊狀態(tài)信息，請對ads1115.h進(jìn)行編輯，以通過(guò)取消注釋以下行來(lái)允許調試輸出：

    //＃define ADS1115_SERIAL_DEBUG

在串行監視器中鍵入字母s以查看寄存器狀態(tài)。

注意：我更改了pollAlertReadyPin（）代碼，以便在失敗時(shí)重新初始化ads1115。打開(kāi)和關(guān)閉PC時(shí)，將重置寄存器，并將隊列寄存器設置為11：禁用警報就緒引腳?，F在，如果發(fā)生此錯誤，則芯片將正確重啟。

復制草圖

// I2C設備類(lèi)（I2Cdev）演示ADS1115類(lèi)的Arduino草圖

//讀取

ADS1115的兩個(gè)差分輸入并以mV表示值的示例// // Eadf（2016-03-22）

//

//變更日志：

// 初始版本

//

//修改了JFM，以重新初始化和輸出多個(gè)PGA分辨率，以便

//比較讀數。同樣，當調試處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，串行接收's'

//輸出寄存器值。