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采集設計的高性能、低功耗 24 位 ΔΣ（Delta-Sigma）模數轉換器。該器件集成了可編程增益放大器（PGA）、內置參考源、振蕩器和多種電源管理功能，能夠在極低噪聲的情況下實現高精度、生物電級別的微弱信號測量。由于其集成度高、尺寸小巧、功耗極低（典型工作電流僅數十微安），ADS1291 廣泛應用于可穿戴心電（ECG）監護設備、便攜式腦電（EEG）記錄儀、運動監測設備及其他需要高分辨率模擬前端的生物醫學電子系統中。

二、主要參數
在進行系統選型和設計之前，了解 ADS1291 的主要電氣參數至關重要。

• 分辨率：24 位，內置 72 dB 動態范圍的 ΔΣ 調制器，理論最小分辨率可達到 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（采樣點數/秒）等多種速率，以匹配不同應用對帶寬和功耗的需求。

• 輸入噪聲：在 500 SPS、增益 1 設置下，典型噪聲低至 2.7 μV_pp（峰-峰），實現對微弱生物電信號的精確測量。

• 增益設置：集成 PGA，可選增益等級為 1、2、4、6、8、12、24。通過軟件配置，即可靈活調整輸入信號的放大倍數，以適應不同幅度的信號源。

• 輸入范圍：當增益設置為 1 時，單端輸入模式下滿量程為 ±2.4 V；當增益設置為 24 時，滿量程縮小為 ±100 mV，滿足微弱信號測量要求。

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

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

• 電源電壓：模擬電源（AVDD）和數字電源（DVDD）可獨立供電，范圍均為 2.7 V 至 5.25 V；內置電壓監測，可在電源波動時保持轉換精度。

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

三、工作原理
ADS1291 的核心是一對差分 ΔΣ 調制器，用于將模擬輸入信號轉換為高比特寬度的數字比特流。以下為其主要工作流程：

1. 前端放大：輸入信號首先進入 PGA，經過可編程增益放大，以提高信號幅度，優化調制器的信噪比。

2. ΔΣ 調制：經放大后的信號進入 ΔΣ 調制器，利用過采樣和噪聲整形技術，將模擬波形轉換成高頻數字比特流。ΔΣ 調制通過將量化噪聲集中于高頻，再通過后續數字濾波去除，實現極高分辨率。

3. 數字濾波與抽取：內部數字濾波器對調制器輸出的比特流進行濾波，并按照設定的抽取率（decimation）輸出定點格式數據。抽取率與采樣率一一對應，如在 500 SPS 下使用某一級濾波器。

4. 寄存器配置與 SPI 讀取：轉換結果存入內部寄存器，主控器件通過 SPI 接口輪詢或中斷方式讀取最新數據。寄存器同時可配置工作模式、增益、采樣率、電源模式等參數。

5. 內部參考與校準：ADS1291 內置 2.4 V 參考電壓，可用于 PGA 和調制器的基準；同時支持對內部偏置、增益進行自校準，保持長期測量精度。

四、特性優勢
ADS1291 在同類產品中具有多項顯著優勢：

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

• 高集成度：集成 PGA、參考源、振蕩器，無需外部元件即可構建完整的模擬前端，降低設計復雜度與 PCB 面積。

• 高分辨率：24 位 ΔΣ 架構配合高性能數字濾波，實現優異的動態范圍與噪聲性能，適合微弱生物電信號采集。

• 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品中。

• 穩定可靠：商業級溫度范圍，并具備內置電源監測和溫度補償功能，確保長期穩定性。

五、主要功能

1. 單通道差分測量：支持 1 個差分輸入通道，簡化多通道同步測量需求時的級聯設計。

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計。

3. 內置電壓參考：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. 內部溫度傳感器：用于系統狀態監測與溫度補償，提升測量準確性。

5. 電源管理：多種省電模式：正常、待機、關斷，通過軟件即可切換，功耗從數十微安到亞微安級。

6. 硬件校準：可通過命令觸發偏移和增益校準，方便出廠測試或現場維護。

7. 數據就緒標志：DRDY 引腳在數據更新時拉低，主控可通過中斷方式高效獲取新數據。

六、應用領域
ADS1291 的高性能與低功耗使其成為生物醫學信號采集的首選器件：

• 可穿戴心電監護（ECG）：小型化貼片式心電儀、運動手環等需要長時間采集心電波形的設備。

• 便攜式腦電記錄（EEG）：現場腦神經活動監測、睡眠研究儀器。

• 運動生理監測：結合心率、呼吸率等信號的綜合健康監測系統。

• 家用健康終端：家用心電、睡眠檢測、遠程醫療設備。

• 科研級信號采集：實驗室生物信號研究，需高分辨率、低噪聲的數據采集儀器。

七、常見問題與設計注意事項

• 輸入阻抗匹配
  生物電極和導聯線會形成較高源阻抗，需在設計中注意與 ADS1291 PGA 輸入端的阻抗匹配，避免共模電壓誤差。可在輸入端加高精度運放做緩沖。

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

• PCB 走線規則
  差分輸入線路應相互并行且等長，遠離高頻時鐘線和電源線。模擬地平面應盡量完整，避免地環路。

• 參考電壓穩定性
  雖然內置了精密參考，但針對對測量精度要求極高的系統，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
  生物信號測量可能受到靜電或開合電極造成的瞬態沖擊，設計時可在輸入端增加限流電阻和 TVS 二極管保護。

• 溫度漂移校正
  長時間測量和環境溫度變化會引起零點漂移，可利用內部溫度傳感器數據做實時補償。

八、型號對比

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

九、選型指導

1. 通道數量：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：對于長期監護設備，可選擇 250–500 SPS 采樣率以降低功耗；需要快速響應時，可提升至 1000–2000 SPS。

3. 系統尺寸與成本：ADS1291 QFN-16 封裝最小，外部元件最少，適合對尺寸和成本敏感的可穿戴設備。

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

5. 電源與線路布局：若系統已有穩定參考源，可禁用內部參考，使用外部高精度基準；若布局空間有限，內部參考即可滿足大多數應用。

十、未來趨勢與發展
隨著可穿戴設備、遠程醫療和智慧健康管理的迅猛發展，對生物電信號采集前端的性能和功能提出了更高要求。ADS1291 未來的發展方向及產業應用趨勢主要體現在以下幾個方面：

1. 多模態傳感融合
   未來的醫學監護設備不僅僅局限于單一心電或腦電信號采集，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進行同步采集與融合分析。ADS1291 及其后續產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，并通過片內或片外 DSP 加速多通道信號的實時預處理與特征提取。

2. 邊緣智能與低功耗 AI
   邊緣計算和人工智能算法在健康監測場景中應用日益廣泛。未來 ADS1291 系列或會與 TI 自身的低功耗 MCU（如 MSP430、C2000）或專用 AI 加速器無縫耦合，實現心律失常檢測、腦電病理波形識別等算法在本地運行，減少對云端的依賴，提升響應速度與數據隱私保護。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 已具備微安級功耗表現，但未來可穿戴產品對續航的苛刻需求仍在持續增長。下一代器件或通過進一步優化 ΔΣ 調制架構和功率管理，實現更低的待機和動態功耗。同時，結合熱電或運動能量采集模塊，為生物電前端提供“自供電”能力，助力真正“免換電池”式的長期監護。

4. 高集成度與系統級封裝（SiP）
   隨著系統級封裝（System-in-Package，SiP）技術成熟，ADS1291 未來有望與運放、數字控制器、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備提供可能。

5. 符合醫療及無線規范
   醫療級設備對可靠性、EMC（電磁兼容）和功能安全（如 ISO 13485、IEC 60601-1）有嚴格要求。未來 ADS1291 平臺及相關評估板將更加完善符合醫療器械認證的測試報告與參考設計。同時，集成藍牙 Low Energy、NB-IoT、LoRa 等無線通信功能的子系統，也將成為趨勢，方便設備與云端或智能手機安全、穩定地互聯。

6. 開放生態與開發支持
   TI 將繼續豐富其軟件生態，為 ADS1291 提供更完善的驅動庫、參考固件和配套 GUI 工具，幫助開發者快速搭建原型。開源社區的參與也將推動更多算法、應用案例和用戶文檔的共享，加速產品從概念驗證到量產的周期。

十一、參考設計與評估板
針對不同的應用場景，TI 官方提供了多款基于 ADS1291 的評估板和參考設計，這些設計已優化電路布局、器件選型與軟件驅動，可大幅縮短從原理驗證到產品打樣的周期。常見的評估板與參考設計包括：

• ADS1291EVM-EP：這是最基礎的評估板，集成了 ADS1291 芯片、差分輸入接口跳線、標準 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，可實時顯示通道數據，并導出 CSV 文件進行離線分析。

• PADS-AFE-EVAL：這是一個系統級參考設計板，除 ADS1291 之外，還集成了低噪聲前級運放、校準參考源、溫度補償電路和 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 設備原型。

• ADS1x9x-ExG-PDK：該開發套件支持 ADS1291、ADS1292、ADS1293 等多個型號，板上預留多通道連接位置，通過插拔式跳線可靈活選擇采集通道數。軟件包中包含基于 TI RTOS 的驅動層、示例應用與 PC 端 Data Logger 工具，方便用戶在多通道場景下進行同步驗證。

這些參考設計在 PCB 區域劃分上嚴格區分了模擬電源區、數字電源區與無線通信區，通過單點接地、分區去耦和走線屏蔽，有效抑制了數字開關噪聲對模擬測量的干擾。用戶可直接基于官方設計進行二次開發，也可參考其布局手法將 ADS1291 集成到自有產品中。

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

1. TI Resource Explorer
   在 TI Resource Explorer 中，搜索 “ADS1291” 可獲得最新的驅動庫、示例代碼、LabVIEW 驅動、MATLAB 腳本以及技術文檔。示例代碼涵蓋 I2C/SPI 接口初始化、寄存器配置、連續數據讀取、校準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 平臺的圖形化配置與數據采集軟件，支持在線修改增益、采樣率、功耗模式等寄存器設置，并可實時繪制時域波形、頻譜分析和統計直方圖。用戶只需將評估板通過 USB 轉串口連接至 PC，即可無縫使用該軟件進行功能驗證。

3. Code Composer Studio?（CCS）和 TI-RTOS
   TI 官方驅動包提供針對 Code Composer Studio 的工程模板，可快速生成基于 C2000、MSP430 或 ARM 的項目框架。配合 TI-RTOS 中的 SPI 驅動和電源管理庫，可實現多任務并發、數據緩存管理和低功耗切換策略，為嵌入式系統開發提供強大支持。

4. 第三方生態與社區
   除 TI 官方資源之外，開源社區如 GitHub 上也有眾多基于 Arduino、Raspberry Pi 或 ESP32 平臺的 ADS1291 驅動與應用項目。通過參考這些社區貢獻的代碼，開發者可快速將 ADS1291 與各種開源硬件、物聯網云平臺對接，實現遠程健康監測與數據可視化。

十三、實際應用案例與性能測試
在多個高校和企業的項目中，ADS1291 已得到成功應用：

• 可穿戴心電貼片：某高校科研團隊利用 ADS1291 設計了一款輕薄心電貼片，使用可降解基板和微型封裝評估板，單次貼附可連續監測 72 小時心電波形，功耗控制在平均 20 μW。實驗數據顯示，其 R 波檢測準確率達到 99.8%，QRS 波群分辨率優于 5 μV。

• 便攜式多參數監護儀：一家醫療器械企業將 ADS1291 與 ADS1292R 結合，設計了一款四通道生物信號采集模塊，可同步采集 ECG、PPG（光電容積脈搏波）與皮膚電反應（GSR）。通過內部 FPGA 對 8 通道數據做實時濾波與特征提取，整體系統響應延遲低于 10 ms。

• 睡眠呼吸監測儀：借助 ADS1291 的低噪聲特性，某研究中心在睡眠實驗中對 EEG α 波（8–13 Hz）和 θ 波（4–8 Hz）進行了長達 14 小時的連續監測，數據丟包率小于 0.01%，為睡眠階段判定算法提供了高質量原始數據。

在性能測試方面，標準化測試流程包括：噪聲測試（短輸入端接地）、失調電壓與增益誤差校準測量、總諧波失真（THD）與信噪比（SNR）評估，以及溫度漂移測試。多數測試結果表明，ADS1291 在帶寬內能夠達到 85 dB 以上 SNR，并在 –40 ℃ 至 +85 ℃ 范圍內保持失調漂移低于 ±5 μV。

通過以上案例與測試報告，可見 ADS1291 在高精度、生物電前端領域具備卓越表現，并已被多種產品和研究項目所采用，其穩定的性能與豐富的開發資源為工程師提供了極大便利。