一、概述
ADS1291 是由德州儀器（Texas Instruments，TI）推出的一款專為生物電信號(hào)采集設(shè)計(jì)的高性能、低功耗 24 位 ΔΣ（Delta-Sigma）模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該器件集成了可編程增益放大器（PGA）、內(nèi)置參考源、振蕩器和多種電源管理功能，能夠在極低噪聲的情況下實(shí)現(xiàn)高精度、生物電級(jí)別的微弱信號(hào)測量。由于其集成度高、尺寸小巧、功耗極低（典型工作電流僅數(shù)十微安），ADS1291 廣泛應(yīng)用于可穿戴心電（ECG）監(jiān)護(hù)設(shè)備、便攜式腦電（EEG）記錄儀、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測設(shè)備及其他需要高分辨率模擬前端的生物醫(yī)學(xué)電子系統(tǒng)中。

二、主要參數(shù)
在進(jìn)行系統(tǒng)選型和設(shè)計(jì)之前，了解 ADS1291 的主要電氣參數(shù)至關(guān)重要。

• 分辨率：24 位，內(nèi)置 72 dB 動(dòng)態(tài)范圍的 ΔΣ 調(diào)制器，理論最小分辨率可達(dá)到 0.00005% FSR（滿量程范圍）。

• 采樣速率：可編程，支持 125 SPS、250 SPS、500 SPS、1000 SPS 和 2000 SPS（采樣點(diǎn)數(shù)/秒）等多種速率，以匹配不同應(yīng)用對(duì)帶寬和功耗的需求。

• 輸入噪聲：在 500 SPS、增益 1 設(shè)置下，典型噪聲低至 2.7 μV_pp（峰-峰），實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱生物電信號(hào)的精確測量。

• 增益設(shè)置：集成 PGA，可選增益等級(jí)為 1、2、4、6、8、12、24。通過軟件配置，即可靈活調(diào)整輸入信號(hào)的放大倍數(shù)，以適應(yīng)不同幅度的信號(hào)源。

• 輸入范圍：當(dāng)增益設(shè)置為 1 時(shí)，單端輸入模式下滿量程為 ±2.4 V；當(dāng)增益設(shè)置為 24 時(shí)，滿量程縮小為 ±100 mV，滿足微弱信號(hào)測量要求。

• 功耗：在 500 SPS 下典型工作電流約為 15 μA；在 2 kSPS 時(shí)約為 25 μA，支持多種低功耗工作模式，符合可穿戴設(shè)備的續(xù)航需求。

• 接口：采用標(biāo)準(zhǔn) SPI（或 TI 專有的 SSPI）數(shù)字接口，與主控 MCU 或 DSP 連接簡便；支持全雙工通信模式，最高時(shí)鐘頻率可達(dá) 4 MHz。

• 電源電壓：模擬電源（AVDD）和數(shù)字電源（DVDD）可獨(dú)立供電，范圍均為 2.7 V 至 5.25 V；內(nèi)置電壓監(jiān)測，可在電源波動(dòng)時(shí)保持轉(zhuǎn)換精度。

• 工作溫度：商業(yè)級(jí)（–40 ℃ 至 +85 ℃），確保在各種環(huán)境條件下可靠工作。

三、工作原理
ADS1291 的核心是一對(duì)差分 ΔΣ 調(diào)制器，用于將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為高比特寬度的數(shù)字比特流。以下為其主要工作流程：

1. 前端放大：輸入信號(hào)首先進(jìn)入 PGA，經(jīng)過可編程增益放大，以提高信號(hào)幅度，優(yōu)化調(diào)制器的信噪比。

2. ΔΣ 調(diào)制：經(jīng)放大后的信號(hào)進(jìn)入 ΔΣ 調(diào)制器，利用過采樣和噪聲整形技術(shù)，將模擬波形轉(zhuǎn)換成高頻數(shù)字比特流。ΔΣ 調(diào)制通過將量化噪聲集中于高頻，再通過后續(xù)數(shù)字濾波去除，實(shí)現(xiàn)極高分辨率。

3. 數(shù)字濾波與抽取：內(nèi)部數(shù)字濾波器對(duì)調(diào)制器輸出的比特流進(jìn)行濾波，并按照設(shè)定的抽取率（decimation）輸出定點(diǎn)格式數(shù)據(jù)。抽取率與采樣率一一對(duì)應(yīng)，如在 500 SPS 下使用某一級(jí)濾波器。

4. 寄存器配置與 SPI 讀取：轉(zhuǎn)換結(jié)果存入內(nèi)部寄存器，主控器件通過 SPI 接口輪詢或中斷方式讀取最新數(shù)據(jù)。寄存器同時(shí)可配置工作模式、增益、采樣率、電源模式等參數(shù)。

5. 內(nèi)部參考與校準(zhǔn)：ADS1291 內(nèi)置 2.4 V 參考電壓，可用于 PGA 和調(diào)制器的基準(zhǔn)；同時(shí)支持對(duì)內(nèi)部偏置、增益進(jìn)行自校準(zhǔn)，保持長期測量精度。

四、特性優(yōu)勢
ADS1291 在同類產(chǎn)品中具有多項(xiàng)顯著優(yōu)勢：

• 超低功耗：典型工作電流僅 15 μA（500 SPS），在待機(jī)模式下可降至 1 μA 以下，大幅延長電池續(xù)航。

• 高集成度：集成 PGA、參考源、振蕩器，無需外部元件即可構(gòu)建完整的模擬前端，降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度與 PCB 面積。

• 高分辨率：24 位 ΔΣ 架構(gòu)配合高性能數(shù)字濾波，實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的動(dòng)態(tài)范圍與噪聲性能，適合微弱生物電信號(hào)采集。

• 靈活配置：增益、采樣率、電源模式均可通過寄存器編程靈活切換，兼顧性能與功耗。

• 小尺寸封裝：4 mm×4 mm QFN-16 封裝，適合集成到空間受限的可穿戴和便攜產(chǎn)品中。

• 穩(wěn)定可靠：商業(yè)級(jí)溫度范圍，并具備內(nèi)置電源監(jiān)測和溫度補(bǔ)償功能，確保長期穩(wěn)定性。

五、主要功能

1. 單通道差分測量：支持 1 個(gè)差分輸入通道，簡化多通道同步測量需求時(shí)的級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)。

2. 可選輸入模式：既可做差分輸入，也可做單端輸入，靈活兼容多種傳感器設(shè)計(jì)。

3. 內(nèi)置電壓參考：提供 2.4 V 精密參考，并具備外部參考引腳，滿足不同精度需求。

4. 內(nèi)部溫度傳感器：用于系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與溫度補(bǔ)償，提升測量準(zhǔn)確性。

5. 電源管理：多種省電模式：正常、待機(jī)、關(guān)斷，通過軟件即可切換，功耗從數(shù)十微安到亞微安級(jí)。

6. 硬件校準(zhǔn)：可通過命令觸發(fā)偏移和增益校準(zhǔn)，方便出廠測試或現(xiàn)場維護(hù)。

7. 數(shù)據(jù)就緒標(biāo)志：DRDY 引腳在數(shù)據(jù)更新時(shí)拉低，主控可通過中斷方式高效獲取新數(shù)據(jù)。

六、應(yīng)用領(lǐng)域
ADS1291 的高性能與低功耗使其成為生物醫(yī)學(xué)信號(hào)采集的首選器件：

• 可穿戴心電監(jiān)護(hù)（ECG）：小型化貼片式心電儀、運(yùn)動(dòng)手環(huán)等需要長時(shí)間采集心電波形的設(shè)備。

• 便攜式腦電記錄（EEG）：現(xiàn)場腦神經(jīng)活動(dòng)監(jiān)測、睡眠研究儀器。

• 運(yùn)動(dòng)生理監(jiān)測：結(jié)合心率、呼吸率等信號(hào)的綜合健康監(jiān)測系統(tǒng)。

• 家用健康終端：家用心電、睡眠檢測、遠(yuǎn)程醫(yī)療設(shè)備。

• 科研級(jí)信號(hào)采集：實(shí)驗(yàn)室生物信號(hào)研究，需高分辨率、低噪聲的數(shù)據(jù)采集儀器。

七、常見問題與設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

• 輸入阻抗匹配
  生物電極和導(dǎo)聯(lián)線會(huì)形成較高源阻抗，需在設(shè)計(jì)中注意與 ADS1291 PGA 輸入端的阻抗匹配，避免共模電壓誤差?？稍谳斎攵思痈呔冗\(yùn)放做緩沖。

• 電源去耦與布局
  模擬電源 AVDD 與數(shù)字電源 DVDD 要分別去耦，使用貼片電容靠近器件腳位。同時(shí)模擬與數(shù)字地分開回路，最后在單點(diǎn)匯合，減少數(shù)字開關(guān)噪聲對(duì)模擬測量的影響。

• PCB 走線規(guī)則
  差分輸入線路應(yīng)相互并行且等長，遠(yuǎn)離高頻時(shí)鐘線和電源線。模擬地平面應(yīng)盡量完整，避免地環(huán)路。

• 參考電壓穩(wěn)定性
  雖然內(nèi)置了精密參考，但針對(duì)對(duì)測量精度要求極高的系統(tǒng)，建議使用外部高精度參考，并在參考管腳加足夠去耦。

• 輸入保護(hù)
  生物信號(hào)測量可能受到靜電或開合電極造成的瞬態(tài)沖擊，設(shè)計(jì)時(shí)可在輸入端增加限流電阻和 TVS 二極管保護(hù)。

• 溫度漂移校正
  長時(shí)間測量和環(huán)境溫度變化會(huì)引起零點(diǎn)漂移，可利用內(nèi)部溫度傳感器數(shù)據(jù)做實(shí)時(shí)補(bǔ)償。

八、型號(hào)對(duì)比

可見 ADS1291 在單通道低功耗領(lǐng)域具有優(yōu)勢，若需更多通道可選用 ADS1292R 或 ADS1293；若需多達(dá) 8 通道，則可考慮 ADS1298。

九、選型指導(dǎo)

1. 通道數(shù)量：若只需單通道測量，ADS1291 體積最小、功耗最低；若需多通道，可考慮 ADS1292R（雙通道）或 ADS1293（3 通道）。

2. 功耗與采樣率平衡：對(duì)于長期監(jiān)護(hù)設(shè)備，可選擇 250–500 SPS 采樣率以降低功耗；需要快速響應(yīng)時(shí)，可提升至 1000–2000 SPS。

3. 系統(tǒng)尺寸與成本：ADS1291 QFN-16 封裝最小，外部元件最少，適合對(duì)尺寸和成本敏感的可穿戴設(shè)備。

4. 信號(hào)幅度范圍：根據(jù)生物電極輸出幅度，選擇合適的 PGA 增益；ADS1291 最大可加 24 倍增益，滿足 ±100 mV 量級(jí)。

5. 電源與線路布局：若系統(tǒng)已有穩(wěn)定參考源，可禁用內(nèi)部參考，使用外部高精度基準(zhǔn)；若布局空間有限，內(nèi)部參考即可滿足大多數(shù)應(yīng)用。

十、未來趨勢與發(fā)展
隨著可穿戴設(shè)備、遠(yuǎn)程醫(yī)療和智慧健康管理的迅猛發(fā)展，對(duì)生物電信號(hào)采集前端的性能和功能提出了更高要求。ADS1291 未來的發(fā)展方向及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1. 多模態(tài)傳感融合
   未來的醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)設(shè)備不僅僅局限于單一心電或腦電信號(hào)采集，而是傾向于將心電（ECG）、腦電（EEG）、體溫、血氧和血壓等多種生理信號(hào)進(jìn)行同步采集與融合分析。ADS1291 及其后續(xù)產(chǎn)品線將可能集成更多通道輸入、支持更豐富的外部傳感器接口，并通過片內(nèi)或片外 DSP 加速多通道信號(hào)的實(shí)時(shí)預(yù)處理與特征提取。

2. 邊緣智能與低功耗 AI
   邊緣計(jì)算和人工智能算法在健康監(jiān)測場景中應(yīng)用日益廣泛。未來 ADS1291 系列或會(huì)與 TI 自身的低功耗 MCU（如 MSP430、C2000）或?qū)Ｓ?AI 加速器無縫耦合，實(shí)現(xiàn)心律失常檢測、腦電病理波形識(shí)別等算法在本地運(yùn)行，減少對(duì)云端的依賴，提升響應(yīng)速度與數(shù)據(jù)隱私保護(hù)。芯片廠商也可能提供硬件加速庫，簡化 AI 模型部署流程。

3. 超低功耗與能量采集
   盡管 ADS1291 已具備微安級(jí)功耗表現(xiàn)，但未來可穿戴產(chǎn)品對(duì)續(xù)航的苛刻需求仍在持續(xù)增長。下一代器件或通過進(jìn)一步優(yōu)化 ΔΣ 調(diào)制架構(gòu)和功率管理，實(shí)現(xiàn)更低的待機(jī)和動(dòng)態(tài)功耗。同時(shí)，結(jié)合熱電或運(yùn)動(dòng)能量采集模塊，為生物電前端提供“自供電”能力，助力真正“免換電池”式的長期監(jiān)護(hù)。

4. 高集成度與系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）
   隨著系統(tǒng)級(jí)封裝（System-in-Package，SiP）技術(shù)成熟，ADS1291 未來有望與運(yùn)放、數(shù)字控制器、電源管理芯片等多器件一體化，形成小體積、高密度的“全功能生物電前端模塊”。這將大幅縮減 PCB 布局難度與空間占用，為超小型貼片式健康貼或智能隱形設(shè)備提供可能。

5. 符合醫(yī)療及無線規(guī)范
   醫(yī)療級(jí)設(shè)備對(duì)可靠性、EMC（電磁兼容）和功能安全（如 ISO 13485、IEC 60601-1）有嚴(yán)格要求。未來 ADS1291 平臺(tái)及相關(guān)評(píng)估板將更加完善符合醫(yī)療器械認(rèn)證的測試報(bào)告與參考設(shè)計(jì)。同時(shí)，集成藍(lán)牙 Low Energy、NB-IoT、LoRa 等無線通信功能的子系統(tǒng)，也將成為趨勢，方便設(shè)備與云端或智能手機(jī)安全、穩(wěn)定地互聯(lián)。

6. 開放生態(tài)與開發(fā)支持
   TI 將繼續(xù)豐富其軟件生態(tài)，為 ADS1291 提供更完善的驅(qū)動(dòng)庫、參考固件和配套 GUI 工具，幫助開發(fā)者快速搭建原型。開源社區(qū)的參與也將推動(dòng)更多算法、應(yīng)用案例和用戶文檔的共享，加速產(chǎn)品從概念驗(yàn)證到量產(chǎn)的周期。

十一、參考設(shè)計(jì)與評(píng)估板
針對(duì)不同的應(yīng)用場景，TI 官方提供了多款基于 ADS1291 的評(píng)估板和參考設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)已優(yōu)化電路布局、器件選型與軟件驅(qū)動(dòng)，可大幅縮短從原理驗(yàn)證到產(chǎn)品打樣的周期。常見的評(píng)估板與參考設(shè)計(jì)包括：

• ADS1291EVM-EP：這是最基礎(chǔ)的評(píng)估板，集成了 ADS1291 芯片、差分輸入接口跳線、標(biāo)準(zhǔn) SPI 接口連接排針以及電源管理電路（包括 LDO 與去耦電容）。該評(píng)估板支持外掛精密外部參考電源，并附帶簡單的 GUI 演示程序，可實(shí)時(shí)顯示通道數(shù)據(jù)，并導(dǎo)出 CSV 文件進(jìn)行離線分析。

• PADS-AFE-EVAL：這是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)參考設(shè)計(jì)板，除 ADS1291 之外，還集成了低噪聲前級(jí)運(yùn)放、校準(zhǔn)參考源、溫度補(bǔ)償電路和 BLE 模塊。該板提供完整的 BOM、PCB 布局文件以及軟件固件示例，適用于快速搭建可穿戴 ECG 設(shè)備原型。

• ADS1x9x-ExG-PDK：該開發(fā)套件支持 ADS1291、ADS1292、ADS1293 等多個(gè)型號(hào)，板上預(yù)留多通道連接位置，通過插拔式跳線可靈活選擇采集通道數(shù)。軟件包中包含基于 TI RTOS 的驅(qū)動(dòng)層、示例應(yīng)用與 PC 端 Data Logger 工具，方便用戶在多通道場景下進(jìn)行同步驗(yàn)證。

這些參考設(shè)計(jì)在 PCB 區(qū)域劃分上嚴(yán)格區(qū)分了模擬電源區(qū)、數(shù)字電源區(qū)與無線通信區(qū)，通過單點(diǎn)接地、分區(qū)去耦和走線屏蔽，有效抑制了數(shù)字開關(guān)噪聲對(duì)模擬測量的干擾。用戶可直接基于官方設(shè)計(jì)進(jìn)行二次開發(fā)，也可參考其布局手法將 ADS1291 集成到自有產(chǎn)品中。

十二、開發(fā)者支持與軟件工具
為了幫助工程師快速上手，TI 提供了豐富的軟件資源與調(diào)試工具：

1. TI Resource Explorer
   在 TI Resource Explorer 中，搜索 “ADS1291” 可獲得最新的驅(qū)動(dòng)庫、示例代碼、LabVIEW 驅(qū)動(dòng)、MATLAB 腳本以及技術(shù)文檔。示例代碼涵蓋 I2C/SPI 接口初始化、寄存器配置、連續(xù)數(shù)據(jù)讀取、校準(zhǔn)流程和電源管理等常見場景。

2. Embedded GUI for ADS1x9x Devices
   這是一款基于 Windows 平臺(tái)的圖形化配置與數(shù)據(jù)采集軟件，支持在線修改增益、采樣率、功耗模式等寄存器設(shè)置，并可實(shí)時(shí)繪制時(shí)域波形、頻譜分析和統(tǒng)計(jì)直方圖。用戶只需將評(píng)估板通過 USB 轉(zhuǎn)串口連接至 PC，即可無縫使用該軟件進(jìn)行功能驗(yàn)證。

3. Code Composer Studio?（CCS）和 TI-RTOS
   TI 官方驅(qū)動(dòng)包提供針對(duì) Code Composer Studio 的工程模板，可快速生成基于 C2000、MSP430 或 ARM 的項(xiàng)目框架。配合 TI-RTOS 中的 SPI 驅(qū)動(dòng)和電源管理庫，可實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并發(fā)、數(shù)據(jù)緩存管理和低功耗切換策略，為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)提供強(qiáng)大支持。

4. 第三方生態(tài)與社區(qū)
   除 TI 官方資源之外，開源社區(qū)如 GitHub 上也有眾多基于 Arduino、Raspberry Pi 或 ESP32 平臺(tái)的 ADS1291 驅(qū)動(dòng)與應(yīng)用項(xiàng)目。通過參考這些社區(qū)貢獻(xiàn)的代碼，開發(fā)者可快速將 ADS1291 與各種開源硬件、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程健康監(jiān)測與數(shù)據(jù)可視化。

十三、實(shí)際應(yīng)用案例與性能測試
在多個(gè)高校和企業(yè)的項(xiàng)目中，ADS1291 已得到成功應(yīng)用：

• 可穿戴心電貼片：某高?？蒲袌F(tuán)隊(duì)利用 ADS1291 設(shè)計(jì)了一款輕薄心電貼片，使用可降解基板和微型封裝評(píng)估板，單次貼附可連續(xù)監(jiān)測 72 小時(shí)心電波形，功耗控制在平均 20 μW。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，其 R 波檢測準(zhǔn)確率達(dá)到 99.8%，QRS 波群分辨率優(yōu)于 5 μV。

• 便攜式多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀：一家醫(yī)療器械企業(yè)將 ADS1291 與 ADS1292R 結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款四通道生物信號(hào)采集模塊，可同步采集 ECG、PPG（光電容積脈搏波）與皮膚電反應(yīng)（GSR）。通過內(nèi)部 FPGA 對(duì) 8 通道數(shù)據(jù)做實(shí)時(shí)濾波與特征提取，整體系統(tǒng)響應(yīng)延遲低于 10 ms。

• 睡眠呼吸監(jiān)測儀：借助 ADS1291 的低噪聲特性，某研究中心在睡眠實(shí)驗(yàn)中對(duì) EEG α 波（8–13 Hz）和 θ 波（4–8 Hz）進(jìn)行了長達(dá) 14 小時(shí)的連續(xù)監(jiān)測，數(shù)據(jù)丟包率小于 0.01%，為睡眠階段判定算法提供了高質(zhì)量原始數(shù)據(jù)。

在性能測試方面，標(biāo)準(zhǔn)化測試流程包括：噪聲測試（短輸入端接地）、失調(diào)電壓與增益誤差校準(zhǔn)測量、總諧波失真（THD）與信噪比（SNR）評(píng)估，以及溫度漂移測試。多數(shù)測試結(jié)果表明，ADS1291 在帶寬內(nèi)能夠達(dá)到 85 dB 以上 SNR，并在 –40 ℃ 至 +85 ℃ 范圍內(nèi)保持失調(diào)漂移低于 ±5 μV。

通過以上案例與測試報(bào)告，可見 ADS1291 在高精度、生物電前端領(lǐng)域具備卓越表現(xiàn)，并已被多種產(chǎn)品和研究項(xiàng)目所采用，其穩(wěn)定的性能與豐富的開發(fā)資源為工程師提供了極大便利。