ADS1115 外设底层详解：寄存器配置、工作模式与 I2C 通信时序

1.ADS1115 芯片简介

ADS1115 是德州仪器（TI）推出的一款高精度、低功耗、16 位模数转换器（ADC）。它集成了多个功能，适合各种模拟信号采集和处理应用，如传感器接口、电压监测、便携设备等。ADS1115 通常通过 I²C 接口与微控制器连接，电路中包括电源引脚（VDD、GND），SCL 和 SDA 用于 I²C 通信，ADDR 引脚用于设置设备地址，A0~A3 为模拟输入引脚。

主要特性如下：

• ​分辨率：​16 位，提供高精度的数据转换
• ​可编程采样速率：​最高可达 860 样本/秒（SPS），可根据应用需求调节
• ​输入配置​：ADS1115 提供了输入多路复用器（MUX），支持四个单端输入或两个差分输入
• ​可编程增益放大器（PGA）​：内置 PGA，增益范围可调（±6.144 V 至 ±0.256 V），提高信号的可测量范围
• ​接口​：标准 I²C 接口，通过引脚选择地址（ADDR 引脚）实现多设备连接
• ​低功耗​：连续模式消耗电流约 150μA，而单次转换模式会进一步降低待机时的电流消耗
• ​宽电源范围：​工作电源范围广泛，从 2.0V 到 5.5V
• ​内部低漂移参考电压：​提供稳定的参考电压，确保高精度的模数转换
• ​内部振荡器：​配备内部振荡器，消除了对外部时钟源的依赖

2.ADS1115 芯片内部结构和引脚说明

ADS1115 芯片提供如下引脚：

各个引脚功能如下：

• VDD​ (电源​​引脚​)：供电电压范围是 2.0 V 至 5.5 V，最大工作电流为 150 µA
• ​GND​​ (​​接地​引脚)：接地，用于提供参考地
• SCL​ (串行时钟​​引脚​)：I²C 接口的时钟线，输入高电压为 0.7 × VDD 至 VDD + 0.3V，输入低电压为 0V 至 0.3 × VDD，支持高达 400 kHz 的通信速率，需要外部上拉电阻（典型值为 4.7kΩ）
• ​SDA​​ (串行数据引脚)：I²C 接口的数据线，电气参数同 SCL 一样，一样需要上拉电阻
• ​ADDR (地址选择引脚)：​该引脚用于设置 ADS1115 的 I²C 地址，根据引脚的接线情况，可以有 4 个不同的 I²C 地址

• ​ALERT/RDY (中断/准备引脚)：​可配置为比较器中断引脚，或者数据转换准备完毕时的信号指示引脚，为开漏输出需要外部上拉电阻
• ​AIN0, AIN1, AIN2, AIN3 (模拟输入通道)：​四个模拟输入通道，用于单端或差分输入，输入电压不能超过 VDD + 0.3V 或低于 GND - 0.3V，并且输入电压范围还与 PGA (可编程增益放大器) 配置有关

ADS1115 芯片内部结构如下：

包括如下单元：

• ​MUX​（​​多路复用器​）：通过配置多路复用器，我们可以选择对四个输入通道 (AIN0 到 AIN3)使用差分测量或单端测量
• ​PGA（可编程增益放大器​​）：​放大输入信号，并将其传递给 16 位 ΔΣ ADC，增益可配置，用于适应不同范围的输入信号
• ​I²C 接口​：用于与外部 MCU 通信，采用标准的 SCL (时钟) 和 SDA (数据) 信号，而 ADDR 引脚可用于设定器件地址，这允许在同一 I²C 总线上连接多个 ADS1115 芯片
• Comparator​ 电压​​比较器​：可选的比较器功能，结合 ALERT/RDY 引脚，可以在数据准备好或达到设定的阈值时发出中断信号
• ​16 位 ΔΣ ​ADC​​：​将模拟信号转换为 16 位数字信号，通过 I²C 接口传输数据
• ​内部电压参考、时钟振荡器​​：​提供稳定的内部时钟和电压参考，用于精确的模数转换

2.1 多路复用器

ADS1115 内置多路复用器（Multiplexer, MUX），它允许我们从多个输入通道中选择信号进行测量，输入信号的连接方式主要有两种，差分输入和单端输入：

• ​差分输入：​指信号由两个输入引脚（正输入和负输入）之间的电压差来测量，对于 ADS1115，这意味着它测量 AINP（正输入）和 AINN（负输入）之间的电压差；差分输入可以测量正负电压，即输入范围是 ±Vref，这是一个全量程范围（双极性），差分输入方式可以利用 ADC 的全部分辨率，此时所有 16 位都可以用来解析信号，全量程范围分为 2^16 = 65536 个离散值，分辨率为 2Vref / 65536
• ​单端输入：​指信号从一个通道输入，而另一个通道接地（通常连接到 GND），ADC 实际上测量的是输入信号相对于地的电压；单端输入的测量范围为 0 到 Vref，即只能测量正电压，无法测量负电压，信号的有效输入范围变成了单极性，单端输入模式只使用了其中的 15 位，导致分辨率损失了 1 位，全量程范围是 2^15 = 32768 个离散值，分辨率变为 Vref / 32768

多路复用器（MUX）是一种电子开关装置，用于在多个信号源中选择一个作为输出：

ADS1115 可以通过配置寄存器的 MUX 位选择不同的输入模式，当测量单端信号时，MUX 会将 ADC 的负输入端（AINN）内部连接到地（GND）。

ADS1115 的信号输入通道还有静电放电（ESD）保护二极管，这些二极管用于保护 ADC 输入免受过压或负压的影响，为了避免这些 ESD 二极管导通，输入信号的电压必须保持在以下范围内：

GND - 0.3V < AINx < VDD + 0.3V

如果输入信号可能超出该范围，推荐使用外部肖特基二极管（Schottky Diodes）或串联电阻来限制输入电流，从而保护 ADC；同时在使用 ADS1115 时，如果某些输入通道未连接信号且可能被“过驱动”（即输入电压超出有效范围），可能会影响其他通道的转换结果，建议为这些未使用的输入通道提供电压钳位（如通过肖特基二极管）以避免对测量的影响。

2.2 模拟信号输入

ADS1115 使用了一种开关电容结构来测量差分电压，这个结构依赖于开关（S1 和 S2）的闭合和断开时序来对输入电容进行充电和放电：

其中，S1 为充电开关，S2 为放电开关：

• ​S1 充电开关：​S1 控制电容从输入端 AINp、AINn 对外部信号的采样，当 S1 闭合时，电容充电，此时电容被充至 AINp、AINn 的电压；当 S1 断开时，电容保持采样电压并准备下一个阶段的放电
• ​S2 放电开关：​S2 在 S1 断开之后闭合，开始放电过程；此时，电容中的电荷被放电到基准电压（一般为 0.7V 或者 0V），此过程的目的是为下一次采样做准备

由于电容的充放电会引起瞬时电流，这些电流非常小，但其平均值可以用于计算 ADC 的有效输入阻抗：

$$
\text{Effective Input Impedance (}Z_{\text{in}}\text{)} = \frac{V_{\text{IN}}}{I_{\text{AVERAGE}}}
$$

其中

$$
V_{\text{IN}}
$$

是输入电压，$$I_{\text{AVERAGE}}$$是平均电流。当 ADS1115 内置 PGA 使用不同增益时，ADS1115 的 ADC 全量程不同，其输入阻抗也不相同：

2.3 PGA 可编程增益放大器

PGA 是一种可以通过外部控制信号动态调整放大倍数的放大器，它可以根据不同的输入电压动态调整增益，以确保信号适合 ADC 的输入电压范围。

PGA 的内部结构主要包括以下几个部分：

• 增益控制电路： 增益控制电路通常由一组电阻网络组成，通过开关矩阵选择不同的增益设置，电阻网络中的不同电阻值可以改变输入信号的放大倍数
• 反馈电路： PGA 依赖于反馈控制来确保放大器的稳定性。通过调节反馈电阻，PGA 可以控制输出的放大倍数
• 差分输入与输出： PGA 通常使用差分输入（两个输入端：正输入和负输入），用于减少噪声干扰和共模信号
• 放大器核心： 这部分是运算放大器，负责实际的信号放大，运放接受来自增益控制电路的输入信号，并根据所选的增益倍数输出放大信号

接下来，我们通过举例方式说明 PGA 的作用和对输入信号范围的影响，假设我们正在测量一个传感器的输出，该传感器输出的模拟信号范围为在 0.001V 附近波动，而使用的 ADC 测量信号范围是 0~5V，分辨率是 10 位，则每个数字步长（最小变化）为 5V/1024 = 0.00488V，那么经过 ADC 转换后，计算得到的数字信号始终为 0，我们无法通过 ADC 有效检测到传感器的微小变化。

为了提高信号的检测能力，我们引入了一个 PGA，将输入信号放大 100 倍，此时输入信号的变化范围变为 0.1V，经过放大后，ADC 转换后得到的数字信号将为 0 到 20 之间，我们能够观察到输入信号的波动：

然而，使用 PGA 的同时也会影响输入信号的范围，此时由于 PGA 放大倍数为 100，那么信号输入范围也缩小了 100 倍，ADC 原本的输入范围（0~5V）将变为 0~0.05V，如果我们尝试输入一个高于 0.05V 的信号（例如 0.1V），将会超出 PGA 的输入范围，可能导致输出饱和或失真。

选择合适的 PGA 放大倍数对确保 ADC 能够有效测量信号至关重要，我们需要确保 PGA 的增益设置能够将输入信号提升到 ADC 的最佳测量范围内，通常，ADC 的输入范围是从 0 到某个参考电压（如 0 到 3.3V），所以输入信号幅度应当调整到这个范围内；同时，务必确保 PGA 的增益设置不会使输出信号超过 ADC 的最大输入电压（如 3.3V）

ADS1115 中使用了可编程增益放大器（PGA）来对输入信号进行放大，该 PGA 具有多种增益设置，包括 213、1、2、4、8 和 16；在 PGA 的不同增益设置下，全尺度输入范围有所不同，即 ADC 能够接受的最大模拟输入电压范围会随之改变：

2.4 ADC 模数转换单元

ADS1115 采用二进制补码格式存储模拟信号模数转换后的结果：

• 当输入信号达到能存储的最大正值时，ADC 对应存储转换结果的寄存器值为 7FFFh，相当于十进制的 32767，当输入信号超过最大正值时，ADC 对应存储转换结果不变
• 当输入信号达到能存储的最小负值时，ADC 对应存储转换结果的寄存器值为 8000h，相当于十进制的-32768，当输入信号超过最小负值时，ADC 对应存储转换结果不变
• ADS1115 最小分辨率与 PGA 增益设置有关，PGA 增益设置改变则全尺度范围改变

输入电压与代码转换的关系如下所示：

为了防止频域混叠，ADC 数据采样率需要是输入信号频率的两倍及以上，ADS1115 芯片内置的数字滤波器可以对高频噪声进行一定程度的衰减，但在某些应用中，可能需要外部滤波器，同时在设计输入滤波器电路时，需要考虑滤波网络与 ADS1115 芯片输入阻抗之间的相互作用。

ADS1115 的 ADC 可以在两种模式下运行，连续转换模式和单次转换模式：

• ​连续转换模式​：在这种模式下，ADS1115 芯片会不断进行模数转换，每完成一次转换后，转换结果会存放在转换寄存器中，并立即开始下一次转换
• ​单次转换模式​：在单次转换模式下，ADS1115 会等待配置寄存器的 OS 位被设置为高电平，一旦 OS 位被置位，即启动单次模数转换，同时该位会被设置为 0，表示当前正在进行转换，一旦转换数据准备就绪，OS 位会重新置位，并且设备将进入低功耗状态

2.5 内部电压比较器

ADS1115 芯片内置电压比较器，同时该比较器功能可进行设置：

• ​传统比较器​：在此模式下，ALERT/RDY 引脚在转换数据超过高阈值寄存器中设置的限制时触发（默认为低电平激活）；当输入信号低于低阈值寄存器的值时，比较器会解除触发
• ​窗口比较器​：在此模式下，如果转换数据超过高阈值寄存器或低于低阈值寄存器，ALERT/RDY 引脚将触发

同时，该电压比较器还具有 COMP_LAT 锁存位，可以配置比较器在触发后保持激活状态，即使输入信号不再超出阈值；电压比较器的 COMP_POL 极性设置位可配置 ALERT/RDY 引脚为高电平或低电平激活。

同时，比较器可以配置为在达到阈值之后，等待信号产生一定数量的超过阈值才进行触发，COMP_QUE 位可以设置为等待 1、2 或 4 次读取超过阈值，COMP_QUE 还可以禁用比较器功能。

并且 ALERT/RDY 引脚，根据寄存器的配置，它可以作为报警引脚，也可以作为数据准备完成信号，具体看 1.4.4.4 节 电压比较器​阈值寄存器 ​部分。

2.6 ADS1115 芯片与微控制器的连接

使用 ADS1115 采集外部信号时，常用连接如下：

其中，VDD 引脚外接滤波电容，保证供电稳定；ADS1115 通过 I2C 接口与微控制器连接，同时 ALERT 引脚也需要连接上拉电阻。

每个 ADS1113/4/5 通过地址引脚（ADDR）可以配置不同的 I²C 地址，最多允许四个设备连接到同一总线：

3.ADS1115 芯片的寄存器介绍

ADS1115 芯片具有如下寄存器：

• ​Pointer Register (指针寄存器)：​用于选择要访问的寄存器，通过写入不同的值，指针寄存器可以让主控制器访问不同的寄存器
• ​Config Register (配置寄存器)：​配置 ADS1115 的操作模式，包括输入通道选择、增益设置、数据速率等
• ​Conversion Register (转换寄存器)：​用于存储内部 ADC 模数转换后结果
• Lo_thresh and Hi_thresh Registers（电压比较器​​阈值寄存器）：​用于设置内部电压设置比较器的阈值

ADS1115 在上电时会执行复位，在复位过程中，芯片会将配置寄存器中的所有位设置为各自的默认设置。

3.1 Pointer Register (指针寄存器)

用于选择要访问的寄存器，低两个数据位可写：

通过写入不同的值，指针寄存器可以让主控制器访问不同的寄存器：

3.2 Config Register (配置寄存器)

该寄存器可读可写，具有 16 个数据位：

各个数据位含义如下：

3.3 Conversion Register (转换寄存器)

16 位转换寄存器包含 ADC 转换后的结果，以二进制补码形式保存；上电后，转换寄存器清除为 0，并保持 0 直到第一次转换完成。

3.4 Lo_thresh and Hi_thresh Registers（电压比较器​阈值寄存器）

ADS1115 的 Lo_thresh 和 Hi_thresh 寄存器用于比较器的阈值设定，这些寄存器存储了比较器的上下限阈值，以便确定输入信号是否超出设定范围，当输入信号的电压超过阈值时，设备可以通过 ALERT/RDY 引脚发送信号:

• Lo_thresh 寄存器保存的是比较器的下限阈值，它的值代表当输入信号电压低于该阈值时，会解除或触发 ALERT/RDY 引脚的输出，具体需要看当前比较器工作模式
• Hi_thresh 寄存器保存的是比较器的上限阈值，它的值代表当输入信号电压高于该阈值时，会触发 ALERT/RDY 引脚的输出
• 一般情况下，Hi_thresh 寄存器的值必须大于 Lo_thresh 寄存器保存的值。

这些寄存器中的值以二进制补码形式存储，当最高有效位（MSB，bit 15）为 0 时，表示正数；当最高有效位为 1 时，表示负数。

这里，需要注意的是，ADS1115 包含一个可编程增益放大器（PGA），其作用是设置输入信号的最大量程范围，确保模拟信号在采样前经过适当的放大或缩小，满量程输入电压范围（FSR）可以在 ±6.144V 和 ±0.256V 之间变化；当 PGA 增益设置更改时，设备的分辨率也会相应改变，因此在修改 PGA 设置后需要重新调整阈值寄存器的值。

例如：

• 当 PGA 设置为 ±6.144V 时，1 LSB 代表的电压约为 187.5µV
• 当 PGA 设置为 ±0.256V 时，1 LSB 代表的电压约为 7.8125µV

在不同的 PGA 增益设置下，Lo_thresh 和 Hi_thresh 寄存器中存储的数值会对应不同的电压范围。

这里，ADS1115 还提供了一个 ALERT/RDY 引脚，根据寄存器的配置，它可以作为报警引脚，也可以作为数据准备完成信号。

• ​报警功能：​当输入信号电压超出 Lo_thresh 或 Hi_thresh 设定的范围时，ALERT/RDY 引脚会发出报警信号，此功能类似于一个电压比较器
• ​数据准备完成功能（RDY 模式）：​在单次转换模式下，每次转换完成后 ALERT/RDY 引脚会输出配置寄存器的 OS 数据位，指示转换完成；在连续转换模式下，ALERT/RDY 引脚会在每次转换完成时发出一个脉冲。要实现这个功能，只需要将 Hi_thresh 寄存器的 MSB 设置为 1，将 Lo_thresh 寄存器的 MSB 设置为 0

4.ADS1115 芯片的 I2C 通信接口

以设置 ADS1115 芯片进入连续转换模式为例（假设此时芯片地址为 0x48），首先需要向配置寄存器写入相应的配置值：

1. ​第一字节​：发送从设备的 I²C 地址 0b1001000（0x48），再加上一个写操作位 0
2. ​第二字节​：指向配置寄存器，即给指针寄存器发送 0b00000001（0x01），该字节告诉 ADS1115 芯片接下来要写入的是配置寄存器

3. ​第三字节​：配置寄存器的 MSB 部分（高 8 位），例如 0b10000100（0x84），这一字节设定了 ADS1113/4/5 的一些主要工作模式

4. ​第四字节​：配置寄存器的 LSB 部分（低 8 位），例如 0b10000011（0x83），这一字节包含增益放大器（PGA）的设置、数据速率（Data Rate）等

这里，向指针寄存器和配置寄存器都执行的是写操作，ADS1115 芯片 I2C 写格式如下：

配置完成后，我们需要读取 ADC 每次转换后的结果，此时首先需要设置指针寄存器：

1. ​第一字节​：发送从设备的 I²C 地址 0b1001000（0x48），再加上一个写操作位 0
2. ​第二字节​：向指针寄存器发送 0b00000000（0x00）指向转换寄存器

然后读取转换结果：

1. ​第一字节​：发送从设备的 I²C 地址 0b1001000 和一个读操作位 1，即 0b10010001
2. ​第二字节​：ADS1113/4/5 设备将发送转换寄存器的高 8 位（MSB）
3. ​第三字节​：ADS1113/4/5 设备将发送转换寄存器的低 8 位（LSB）

读取 ADC 转换结果流程如下图所示：