使用(yòng)ADS1115

2021-05-24

使用(yòng)ADS1115

ADS1115是一款精密的16位ADC，具有(yǒu)四个多(duō)路复用(yòng)输入-您可(kě)以单独使用(yòng)每个输入，也可(kě)以成对使用(yòng)每个输入进行差分(fēn)测量。它具有(yǒu)内部校准的基准，可(kě)实现高精度。

这个ads1115教程向您展示如何设置库来驱动芯片，以及如何使用(yòng)不同的PGA增益设置获取读数。它还介绍了即使仅使用(yòng)单電(diàn)源供電(diàn)的设备也能(néng)够测量负電(diàn)压的方法。这使其可(kě)用(yòng)作電(diàn)流吸收器或電(diàn)流源测量设备。

有(yǒu)关芯片的重要信息：

具有(yǒu)16位分(fēn)辨率。

可(kě)以根据PGA设置检测到0.187mV至7.8uV。

可(kě)以采样8到860 SPS。

具有(yǒu)内部参考電(diàn)压。

具有(yǒu)内部PGA（可(kě)编程增益放大器）。

该设备的典型精度為(wèi)0.01％（但最大精度為(wèi)0.15％）。该精度包括所有(yǒu)误差源（参考電(diàn)压，增益误差，失调和噪声）。

ADS1115接線(xiàn)板

ADS1115详细信息

ADS1115规格

[1] FSR±2.048V
[2]包括来自参考電(diàn)压和PGA的所有(yǒu)误差。

ADS1115框图

数据表中的图片

ADS1115引脚排列

ADS1115精度

有(yǒu)趣的图显示了设备的真正功能(néng)，数据表中的图19所示：

总误差与输入信号

注意系统的准确性如何包括所有(yǒu)错误源：

获得错误，

差分(fēn)输入误差

偏移误差

和噪音。

ADS1115 I2C寻址

您可(kě)以使用(yòng)四个地址之一来设置ADS1115，因此可(kě)以在单个I2C总線(xiàn)上放置4个ADS1115芯片：

    0x48、0x49、0x4a，0x4b。

寻址控制是不常见的，因為(wèi)您只需要使用(yòng)一个输入引脚作為(wèi)地址控制引脚即可(kě)。

通常，您需要两个输入才能(néng)在4个地址之间切换，但是ADS1115 16位ADC使用(yòng)的是巧妙的方案。对单个地址输入进行连续采样，如果将其连接到GND，VDD，SDA或SCL，则可(kě)以分(fēn)别从0x48、0x49、0x4a和0x4b设置地址。

ADS1115省電(diàn)

连续模式

在连续转换模式下，ADS1115的静态電(diàn)流高达150uA。在这种模式下，您可(kě)以让ADS1115在8Hz至860Hz之间采样。

单发模式

ADS1115的默认模式是单次模式，该模式下器件唤醒，进行测量然后返回睡眠状态。睡眠时，该芯片仅消耗0.5uA的典型電(diàn)流。由于设备在上電(diàn)时进入此模式，因此不会产生启动電(diàn)流的激增。

注意：命令界面在掉電(diàn)模式下仍处于活动状态，因此您仍然可(kě)以从芯片中获取数据！

该芯片和模式非常适合需要精确度的電(diàn)池供電(diàn)设备。由于超小(xiǎo)型封装（X2QFN）的尺寸仅為(wèi)2 mm x 1.5 mm x？0.4毫米

性能(néng)与噪声之间的权衡

低速平均

如果以低速运行ADS1115，则内部采样率不会降低，因為(wèi)这是delta sigma转换器通过过采样操作的方式。内部振荡器设置為(wèi)1MHz，并降低至ADC时钟的250kHz。

在活动模式下，将连续收集样本。这些样本在内部进行平均，从而改善了噪声性能(néng)。这也节省了您的处理(lǐ)时间，即您不必在微控制器中执行平均。

因此，如果要获得最佳的噪声性能(néng)，请以8Hz（最低采样率）运行采样率。

低采样率的唯一缺点是设备必须连续开启，因此必须始终使用(yòng)電(diàn)源。如果您更关心节省功率，而又(yòu)不太担心噪声性能(néng)，则可(kě)以实施突发模式操作。

高速Speed Burst模式

在微控制器的控制下，您可(kě)以实现突发模式以节省功耗。数据表建议您使用(yòng)连续模式下使用(yòng)功率的1/100。这样您就可(kě)以平均使用(yòng)1.5uA的電(diàn)流。

这类似于焦耳小(xiǎo)偷電(diàn)路，在该電(diàn)路中，存储在電(diàn)感器中的能(néng)量突发会在短时间内使LED产生脉冲。您可(kě)以获得足够的可(kě)用(yòng)光，但平均功率降低了。

為(wèi)了如上所述模拟8SPS速率，您将使ADS1115每125ms（1 / 125e-3 = 8）8 Hz拍摄一次单次信号（您可(kě)以通过微控制器代码中的计时器设置此重复率）。

您还可(kě)以将ADS1115的SPS速率设置為(wèi)860Hz，以获得高速捕获。当然，您可(kě)以将两次捕获之间的时间间隔更改為(wèi)每秒(miǎo)或每小(xiǎo)时，以进一步节省電(diàn)量。

ADS1115处于低電(diàn)流模式时，单次读数仅需花(huā)费1.2ms的时间，剩下的时间就不存在了。这是ad1115转换延迟，并在数据表中进行了说明。

注意： ADS1115大约需要25us上電(diàn)-很(hěn)好！

使用(yòng)ALERT / READY引脚

ALERT / Ready引脚有(yǒu)两种用(yòng)途。第一个是“比较器阈值”警报（默认模式）。第二个是“ ADC读取准备就绪”警报。您必须设置一些寄存器以操作ADC就绪ALERT模式。

阈值检测

ADS1115有(yǒu)一个内部比较器，可(kě)将信号输出到ALERT引脚（默认模式）。您可(kě)以使用(yòng)此功能(néng)自动检测超出范围的条件（由阈值寄存器设置）。COMP_QUE寄存器允许您指定断言警报之前有(yǒu)多(duō)少转换超出上限或下限。

ALERT引脚為(wèi)开漏引脚，因此需要上拉電(diàn)阻。

比较器有(yǒu)两个阈值（高和低）。当输入信号在阈值之间时，ALERT信号设置為(wèi)高電(diàn)平（窗口比较器模式）。您可(kě)以使用(yòng)COMP_POL反转Alert输出信号。

ADC就绪中断信号

该引脚的另一种用(yòng)途是用(yòng)作ADC就绪信号。如果将引脚设置為(wèi)ADC就绪信号，则可(kě)以将其馈入微控制器上的外部中断引脚，以便获取ADC读数。

检测ADC是否已完成的另一种方法是读取寄存器值（配置寄存器位15），但是由于要进行I2C事務(wù)，因此这当然会花(huā)费更多(duō)的时间。

注意：转换就绪信号是一个8us宽（高）脉冲，表示转换在下降沿可(kě)用(yòng)。

要将芯片设置為(wèi)转换就绪模式，请设置以下寄存器：

将高阈值寄存器的MSB设置為(wèi)1
    [例如，Hi_thresh = 0x8000]。
将低阈值寄存器的MSB设置為(wèi)0
    [例如，Lo_thresh = 0x0000]。
将比较器队列控制位设置為(wèi)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。

输入多(duō)路复用(yòng)器

您可(kě)以使用(yòng)输入多(duō)路复用(yòng)器在4个单端输入0〜FSR或两个差分(fēn)输入±FSR之间选择。但是，还有(yǒu)另一种MUX模式，该模式使用(yòng)AIN3作為(wèi)AIN0，AIN1和AIN2的参考作為(wèi)该参考的差分(fēn)输入。

您可(kě)以在下图的左侧看到MUX：

从图中还不清楚，但是MUX具有(yǒu)3种模式：
输入信号参考地（所有(yǒu)4个输入都是可(kě)选的）
    AIN0（+）〜GND（-），
    AIN1（+）〜GND（-），
    AIN2（+） 〜GND（-）。
    AIN3（+）〜GND（-）。
两个差分(fēn)输入：
    AIN0（+）〜AIN1（-），
    AIN2（+）〜AIN3（-）。
三个参考输入：
    AIN0（+）〜AIN3（-），
    AIN1（+）〜AIN3（-），
    AIN2（+）〜AIN3（-）。
请参见数据表“配置寄存器”以控制此操作。

PGA增益设定

ADS1115中的增益设置寄存器确实具有(yǒu)标准值，例如x2 x4等（除了最大的2/3值），更容易想到满量程读数的分(fēn)辨率和量程功能(néng)。数据表的排列方式是这样的-因為(wèi)该器件使用(yòng)内部固定的基准電(diàn)压源。

您只需要选择接近所测信号的最佳范围即可(kě)（或在前面添加一个放大器来设置范围）。

您不能(néng)像其他(tā)ADC一样通过添加外部基准電(diàn)压来更改FSR值。范围和分(fēn)辨率如下表所示。

满量程分(fēn)辨率

尽管ADS1115具有(yǒu)16位分(fēn)辨率，但它使用(yòng)二进制补码来表示一个值（MSB表示符号位）。这实际上是一个15位分(fēn)辨率的ADC，能(néng)够进行负電(diàn)压和正電(diàn)压测量（在GND至V DD的電(diàn)源范围内！

这样，从GND到正满量程電(diàn)压的输入信号就具有(yǒu)15位的分(fēn)辨率，而从GND到负满量程電(diàn)压的分(fēn)辨率则為(wèi)15位。但是，ADS1115只能(néng)测量低于地面的-300mV。

当使用(yòng)差分(fēn)模式和電(diàn)平转换运算放大器将输入信号移至GDN至V DD范围内时，才真正使用(yòng)±15bit分(fēn)辨率。有(yǒu)一个例外：

要获得±FSR，您可(kě)以使用(yòng)256mV范围，或使用(yòng)输入运算放大器来对输入进行電(diàn)平转换和缩放，或者使用(yòng)差分(fēn)输入）。或者，将一个输入用(yòng)作其他(tā)两个输入的参考。

注意：从上表中可(kě)以看到，15位分(fēn)辨率仍然是非常准确的分(fēn)辨率。

如上所述，可(kě)测量的输入電(diàn)压下降到负300mV。

在最低PGA增益值下，您可(kě)以使用(yòng)器件的满量程分(fēn)辨率（±256mV），这也适合ADS1115的-300mV测量能(néng)力。

因此，即使仅使用(yòng)单个電(diàn)源芯片，您也可(kě)以制造一种能(néng)够测量灌電(diàn)流和灌電(diàn)流的電(diàn)流测量设备。為(wèi)此，您将使用(yòng)合适的测量電(diàn)阻器并对其进行差分(fēn)测量。负電(diàn)压能(néng)力测试结果在这里。

选择较高的PGA增益仍然可(kě)以让您以较低的分(fēn)辨率测量负值。

关于PGA设置的注意事项

可(kě)编程增益设置寄存器（PGA）允许8个值，但最后3个值均提供相同的增益，因此对于PGA值為(wèi)5、6和7的FSR為(wèi)256mV。

因此，共有(yǒu)6种可(kě)用(yòng)设置，允许FSR分(fēn)别為(wèi)±6.144V，±4.096V，±2.048V，±1.024V，±0.512V，±0.256V。

输入電(diàn)压范围

绝对最大電(diàn)压输入為(wèi)：

     -0.3V〜7V

测量電(diàn)压范围是：

    GND-0.3V〜VDD + 0.3V。

请记住，测量范围是固定的，因此最大可(kě)测量输入電(diàn)压為(wèi)±6.144V。

测试负電(diàn)压输入

我曾是 不确定是否可(kě)以测量负電(diàn)压，尤其是使用(yòng)ADS1115的单電(diàn)源供電(diàn)时。数据表确实表明它能(néng)够在-256mV的范围内进行测量，并且在-300mV以上的電(diàn)压下不会爆炸。

事实证明这是对的，因為(wèi)我通过将-5V電(diàn)源小(xiǎo)心地连接到10k電(diàn)位计并调整抽头（确保其不低于-300mV）来测试输入，其值是-100mV，-260mV 

这是-260mV输入的结果：

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

警报/ RDY 0

这是-100mV（大约）输入的结果：

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

警报/ RDY 0

对于-260mV测量，您可(kě)以看到256mV的FSR达到了满量程，这是您所期望的-这是针对256mV的PGA增益设置（因為(wèi)260mV高于256mV的量程能(néng)力）。

您还可(kě)以看到，对于所有(yǒu)PGA增益，都正确测量了-100mV读数。

因此，这证实了ADS1115无需单独的電(diàn)源即可(kě)读取低至-256mV最小(xiǎo)测量能(néng)力的负電(diàn)压。

注意：此输出的ADS1115 arduino代码可(kě)在页面的下方找到。

ADS1115 ADC FSR

正输出的满量程值為(wèi)：

        0x7FFF

负输出的满量程值為(wèi)：

        0x8000

ADC的正值是0x0001，负值是0xFFFF（负2是0xFFFE）。

警告：对于单端测量，在测量0V时，由于器件失调，您仍然会获得负ADC值。

差速器怎么处理(lǐ)？

一种 差分(fēn)测量使用(yòng)两个输入，一个用(yòng)于低端，一个用(yòng)于高端電(diàn)压，因此您可(kě)以测量電(diàn)路中任何一点的電(diàn)压差。正常的单端测量（Ardiuno ADC）只能(néng)测量参考到地的電(diàn)压。

您可(kě)以具有(yǒu)一组差分(fēn)输入或一组差分(fēn)输入（如下所示）：

两个差分(fēn)输入：
    AIN0（+）〜AIN1（-），
    AIN2（+）〜AIN3（-）。

其他(tā)配置在这里。

通常，您需要跨小(xiǎo)而准确的電(diàn)阻进行测量以确定電(diàn)流。ADS1115可(kě)以测量正负電(diàn)压。

差分(fēn)测量是通过使用(yòng)设备内的差分(fēn)放大器（运算放大器）实现的瞬时测量。此测量的最大优势在于，由于跨被测元件的噪声信号相同，因此消除了共模噪声误差。因此，噪声被减去。

使用(yòng)差分(fēn)测量的另一个原因是，您可(kě)能(néng)希望测量未参考到地的電(diàn)压，例如，電(diàn)流检测電(diàn)阻器未在一侧接地，而是在電(diàn)路中的其他(tā)位置。这就是所谓的高端测量，即两个测量電(diàn)压都遠(yuǎn)不接近零。

软件

Arduino IDE：版本1.8.9+

I2Cdev库

I2Cdevlib具有(yǒu)ADS1115库代码以及许多(duō)其他(tā)设备的代码。

该库具有(yǒu)很(hěn)多(duō)功能(néng)，受支持的芯片，并且可(kě)以在多(duō)个处理(lǐ)器上运行，但是安装涉及更多(duō)一点，因此您不能(néng)使用(yòng)自动Arduino zip文(wén)件安装程序。

ADS1115 Arduino库

解压缩文(wén)件（ic2devlib-master），然后导航到ic2devlib-master中的Arduino目录。将目录ADS1115和I2Cdev复制到Arduino库目录（通常在Windows上）：

    C：\ Users \ <用(yòng)户名> \ Documents \ Arduino \ libraries

库代码警告

256mV范围的常数已设置為(wèi)四舍五入的值。

导航至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

组件

Arduino Uno R3。

ADS1115转接板。

连接線(xiàn)。

100nF電(diàn)容器。

1万锅。

连接数

為(wèi)了进行测试，请使用(yòng)Arduino Uno并按如下所示进行连接：

Arduino的	ADS1115
5伏	VDD
地線(xiàn)	地線(xiàn)
A5	SCL
A4	SDA
地線(xiàn)	地址
2个	警报
10k锅的雨刷器。	A1

注意：将10k電(diàn)位器的两端连接到5V和GND。
在5V和GND之间连接100nF電(diàn)容器。 

ADS1115面包板布局

使用(yòng)ADS1115的Arduino示例

草(cǎo)图示例1

您可(kě)以使用(yòng)以下程序通过轮询来测试ADS1115：

要查看注册状态信息，请对ads1115.h进行编辑，以通过取消注释以下行来允许调试输出：

    //＃define ADS1115_SERIAL_DEBUG

在串行监视器中键入字母s以查看寄存器状态。

注意：我更改了pollAlertReadyPin（）代码，以便在失败时重新(xīn)初始化ads1115。打开和关闭PC时，将重置寄存器，并将队列寄存器设置為(wèi)11：禁用(yòng)警报就绪引脚。现在，如果发生此错误，则芯片将正确重启。

复制草(cǎo)图

// I2C设备类（I2Cdev）演示ADS1115类的Arduino草(cǎo)图

//读取

ADS1115的两个差分(fēn)输入并以mV表示值的示例// // Eadf（2016-03-22）

//

//变更日志(zhì)：

// 初始版本

//

//修改了JFM，以重新(xīn)初始化和输出多(duō)个PGA分(fēn)辨率，以便

//比较读数。同样，当调试处于活动状态时，串行接收's'

//输出寄存器值。