使用ADS1115

2021-05-24

使用ADS1115

ADS1115是一款精密的16位ADC，具有四个多路复用输入-您可以单独使用每个输入，也可以成对使用每个输入进行差分测量。它具有内部校准的基准，可实现高精度。

这个ads1115教程向您展示如何设置库来驱动芯片，以及如何使用不同的PGA增益设置获取读数。它还介绍了即使仅使用单电源供电的设备也能够测量负电压的方法。这使其可用作电流吸收器或电流源测量设备。

有关芯片的重要信息：

具有16位分辨率。

可以根据PGA设置检测到0.187mV至7.8uV。

可以采样8到860 SPS。

具有内部参考电压。

具有内部PGA（可编程增益放大器）。

该设备的典型精度为0.01％（但最大精度为0.15％）。该精度包括所有误差源（参考电压，增益误差，失调和噪声）。

ADS1115接线板

ADS1115详细信息

ADS1115规格

[1] FSR±2.048V
[2]包括来自参考电压和PGA的所有误差。

ADS1115框图

数据表中的图片

ADS1115引脚排列

ADS1115精度

有趣的图显示了设备的真正功能，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错误源：

获得错误，

差分输入误差

偏移误差

和噪音。

ADS1115 I2C寻址

您可以使用四个地址之一来设置ADS1115，因此可以在单个I2C总线上放置4个ADS1115芯片：

    0x48、0x49、0x4a，0x4b。

寻址控制是不常见的，因为您只需要使用一个输入引脚作为地址控制引脚即可。

通常，您需要两个输入才能在4个地址之间切换，但是ADS1115 16位ADC使用的是巧妙的方案。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，则可以分别从0x48、0x49、0x4a和0x4b设置地址。

ADS1115省电

连续模式

在连续转换模式下，ADS1115的静态电流高达150uA。在这种模式下，您可以让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的典型电流。由于设备在上电时进入此模式，因此不会产生启动电流的激增。

注意：命令界面在掉电模式下仍处于活动状态，因此您仍然可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电池供电设备。由于超小型封装（X2QFN）的尺寸仅为2 mm x 1.5 mm x？0.4毫米

性能与噪声之间的权衡

低速平均

如果以低速运行ADS1115，则内部采样率不会降低，因为这是delta sigma转换器通过过采样操作的方式。内部振荡器设置为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。这也节省了您的处理时间，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，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，因此必须始终使用电源。如果您更关心节省功率，而又不太担心噪声性能，则可以实施突发模式操作。

高速Speed Burst模式

在微控制器的控制下，您可以实现突发模式以节省功耗。数据表建议您使用连续模式下使用功率的1/100。这样您就可以平均使用1.5uA的电流。

这类似于焦耳小偷电路，在该电路中，存储在电感器中的能量突发会在短时间内使LED产生脉冲。您可以获得足够的可用光，但平均功率降低了。

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

您还可以将ADS1115的SPS速率设置为860Hz，以获得高速捕获。当然，您可以将两次捕获之间的时间间隔更改为每秒或每小时，以进一步节省电量。

ADS1115处于低电流模式时，单次读数仅需花费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上电-很好！

使用ALERT / READY引脚

ALERT / Ready引脚有两种用途。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有一个内部比较器，可将信号输出到ALERT引脚（默认模式）。您可以使用此功能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多少转换超出上限或下限。

ALERT引脚为开漏引脚，因此需要上拉电阻。

比较器有两个阈值（高和低）。当输入信号在阈值之间时，ALERT信号设置为高电平（窗口比较器模式）。您可以使用COMP_POL反转Alert输出信号。

ADC就绪中断信号

该引脚的另一种用途是用作ADC就绪信号。如果将引脚设置为ADC就绪信号，则可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事务，因此这当然会花费更多的时间。

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用。

要将芯片设置为转换就绪模式，请设置以下寄存器：

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

输入多路复用器

您可以使用输入多路复用器在4个单端输入0〜FSR或两个差分输入±FSR之间选择。但是，还有另一种MUX模式，该模式使用AIN3作为AIN0，AIN1和AIN2的参考作为该参考的差分输入。

您可以在下图的左侧看到MUX：

从图中还不清楚，但是MUX具有3种模式：
输入信号参考地（所有4个输入都是可选的）
    AIN0（+）〜GND（-），
    AIN1（+）〜GND（-），
    AIN2（+） 〜GND（-）。
    AIN3（+）〜GND（-）。
两个差分输入：
    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辨率和量程功能。数据表的排列方式是这样的-因为该器件使用内部固定的基准电压源。

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

您不能像其他ADC一样通过添加外部基准电压来更改FSR值。范围和分辨率如下表所示。

满量程分辨率

尽管ADS1115具有16位分辨率，但它使用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位分辨率的ADC，能够进行负电压和正电压测量（在GND至V DD的电源范围内！

这样，从GND到正满量程电压的输入信号就具有15位的分辨率，而从GND到负满量程电压的分辨率则为15位。但是，ADS1115只能测量低于地面的-300mV。

当使用差分模式和电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±15bit分辨率。有一个例外：

要获得±FSR，您可以使用256mV范围，或使用输入运算放大器来对输入进行电平转换和缩放，或者使用差分输入）。或者，将一个输入用作其他两个输入的参考。

注意：从上表中可以看到，15位分辨率仍然是非常准确的分辨率。

如上所述，可测量的输入电压下降到负300mV。

在最低PGA增益值下，您可以使用器件的满量程分辨率（±256mV），这也适合ADS1115的-300mV测量能力。

因此，即使仅使用单个电源芯片，您也可以制造一种能够测量灌电流和灌电流的电流测量设备。为此，您将使用合适的测量电阻器并对其进行差分测量。负电压能力测试结果在这里。

选择较高的PGA增益仍然可以让您以较低的分辨率测量负值。

关于PGA设置的注意事项

可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值为5、6和7的FSR为256mV。

因此，共有6种可用设置，允许FSR分别为±6.144V，±4.096V，±2.048V，±1.024V，±0.512V，±0.256V。

输入电压范围

绝对最大电压输入为：

     -0.3V〜7V

测量电压范围是：

    GND-0.3V〜VDD + 0.3V。

请记住，测量范围是固定的，因此最大可测量输入电压为±6.144V。

测试负电压输入

我曾是 不确定是否可以测量负电压，尤其是使用ADS1115的单电源供电时。数据表确实表明它能够在-256mV的范围内进行测量，并且在-300mV以上的电压下不会爆炸。

事实证明这是对的，因为我通过将-5V电源小心地连接到10k电位计并调整抽头（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（因为260mV高于256mV的量程能力）。

您还可以看到，对于所有PGA增益，都正确测量了-100mV读数。

因此，这证实了ADS1115无需单独的电源即可读取低至-256mV最小测量能力的负电压。

注意：此输出的ADS1115 arduino代码可在页面的下方找到。

ADS1115 ADC FSR

正输出的满量程值为：

        0x7FFF

负输出的满量程值为：

        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？

一种 差分测量使用两个输入，一个用于低端，一个用于高端电压，因此您可以测量电路中任何一点的电压差。正常的单端测量（Ardiuno ADC）只能测量参考到地的电压。

您可以具有一组差分输入或一组差分输入（如下所示）：

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

其他配置在这里。

通常，您需要跨小而准确的电阻进行测量以确定电流。ADS1115可以测量正负电压。

差分测量是通过使用设备内的差分放大器（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。

使用差分测量的另一个原因是，您可能希望测量未参考到地的电压，例如，电流检测电阻器未在一侧接地，而是在电路中的其他位置。这就是所谓的高端测量，即两个测量电压都远不接近零。

软件

Arduino IDE：版本1.8.9+

I2Cdev库

I2Cdevlib具有ADS1115库代码以及许多其他设备的代码。

该库具有很多功能，受支持的芯片，并且可以在多个处理器上运行，但是安装涉及更多一点，因此您不能使用自动Arduino zip文件安装程序。

ADS1115 Arduino库

解压缩文件（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 \ <用户名> \ Documents \ Arduino \ libraries

库代码警告

256mV范围的常数已设置为四舍五入的值。

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。

连接线。

100nF电容器。

1万锅。

连接数

为了进行测试，请使用Arduino Uno并按如下所示进行连接：

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

注意：将10k电位器的两端连接到5V和GND。
在5V和GND之间连接100nF电容器。 

ADS1115面包板布局

使用ADS1115的Arduino示例

草图示例1

您可以使用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为11：禁用警报就绪引脚。现在，如果发生此错误，则芯片将正确重启。

复制草图

// I2C设备类（I2Cdev）演示ADS1115类的Arduino草图

//读取

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

//

//变更日志：

// 初始版本

//

//修改了JFM，以重新初始化和输出多个PGA分辨率，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。