CS1238 用户手册
24-bit Sigma-Delta ADC
Rev 1.1
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CS1238
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修改内容
初始版本
1. 更换格式
2. 修改差分输入阻抗参数
3. 修改 P-P 噪声参数
4. 修改共模输入范围参数
Rev.1.1
版本日期
2014-3-26
2014-10-17
第 2 页,共 20 页
CS1238
目 录
版本历史 .......................................................................................................................................... 2
目 录 ................................................................................................................................................ 3
1
芯片功能说明 ........................................................................................................................... 5
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
2
芯片功能模块描述 ................................................................................................................. 10
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.6.1
2.6.2
2.6.3
模拟输入前端 ......................................................................................................... 10
温度传感器............................................................................................................. 10
低噪声 PGA 放大器 ............................................................................................... 11
时钟信号源............................................................................................................. 12
复位和断电(POR&power down) ........................................................................... 12
SPI 串口通信 .......................................................................................................... 13
建立时间................................................................................................................. 13
ADC 数据输出速率................................................................................................ 14
数据格式................................................................................................................. 14
2.6.4
2.6.5
2.6.6
2.6.7
数据准备/数据输入输出( DRDY / DOUT ) ....................................................... 14
串行时钟输入(SCLK) ............................................................................................ 14
数据发送................................................................................................................. 15
功能配置................................................................................................................. 16
2.6.7.1 SPI 命令字 ............................................................................................... 16
2.6.7.2 SPI 寄存器 ............................................................................................... 17
Power down 模式 .................................................................................................... 18
2.6.8
3
芯片主要功能特性 ................................................................................................... 5
芯片应用场合 ........................................................................................................... 5
芯片基本结构功能描述 ........................................................................................... 6
芯片绝对最大极限值 ............................................................................................... 7
CS1238 数字逻辑特性 ............................................................................................. 7
CS1238 电气特性 ..................................................................................................... 8
芯片引脚................................................................................................................... 9
芯片的封装 ............................................................................................................................. 19
3.1
3.2
SOP-14pin ............................................................................................................... 19
DIP-14pin ................................................................................................................ 19
Rev.1.1
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CS1238
图目录
图 1 CS1238 原理框图 ............................................................................................................. 6
图 2 CS1238 芯片引脚图 ......................................................................................................... 9
图 3 模拟输入结构图............................................................................................................. 10
图 4 PGA 结构图 .................................................................................................................... 11
图 5 CS1238 数据建立过程 1 ................................................................................................ 13
图 6 CS1238 数据建立过程 2 ................................................................................................ 13
图 7 CS1238 读取数据时序图 1 ............................................................................................ 15
图 8 CS1238 读取数据时序图 2 ............................................................................................ 15
图 9 功能配置时序图............................................................................................................. 16
图 10
CS1238 PowerDown 模式示意图 .......................................................................... 18
图 11
芯片 SOP14 封装尺寸信息.................................................................................... 19
图 12
芯片 DIP14 封装尺寸信息..................................................................................... 20
表目录
表 1 CS1238 极限值 ................................................................................................................. 7
表 2 CS1238 数字逻辑特性 ..................................................................................................... 7
表 3 CS1238 电气特性(VDD = 5V、3.3V )....................................................................... 8
表 4 CS1238 电源电气特性(VDD = 5V) ........................................................................... 8
表 5 CS1238 电源电气特性(VDD = 3.3V) ........................................................................ 8
表 6 PIN 脚说明 ....................................................................................................................... 9
表 7 输出速率设置................................................................................................................. 14
表 8 理想输出码和输入信号(1) .............................................................................................. 14
表 9 读取数据时序表............................................................................................................. 15
表 10
CS1238 命令字说明表 ........................................................................................... 16
表 11
Config 寄存器说明表 ............................................................................................. 17
Rev.1.1
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CS1238
1
芯片功能说明
CS1238 是一款高精度、低功耗模数转换芯片,两路差分输入通道,内置温度传感器和
高精度振荡器。
CS1238 的 PGA 可选:1、2、64、128,默认为 128。
CS1238 的 ADC 数据输出速率可选:10Hz、40Hz、640Hz、1.28kHz,默认为 10Hz;
MCU 可以通过 2 线的 SPI 接口 SCLK、 DRDY / DOUT 与 CS1238 进行通信,对其进
行配置,例如通道选择、PGA 选择、输出速率选择等。
1.1
芯片主要功能特性
内置晶振
集成温度传感器
带 Power down 功能
2 线 SPI 接口,最快速率为 1.1MHz
ADC 功能特性:
24 位无失码
PGA 放大倍数可选:1、2、64、128
集成 2 通道 24 位无失码的差分输入,在 PGA=128 时 ENOB 为 20.7 位(工作在 5V)\20.2
位(工作在 3.3V)
P-P 噪声:PGA=128、10Hz:150nV;
INL 小于 0.0015%
输出速率可选:10Hz、40Hz、640Hz、1.28kHz
带内短功能
1.2
芯片应用场合
工业过程控制
电子秤
液体/气体化学分析
血液计
智能变换器
便携式设备
Rev.1.1
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CS1238
1.3
芯片基本结构功能描述
CS1238 是一款高精度、低功耗 Sigma-Delta 模数转换芯片,内置一路 Sigma-Delta
ADC,两路差分输入通道和一路温度传感器,ADC 采用两阶 sigma delta 调制器,通过低噪
声仪用放大器结构实现 PGA 放大,放大倍数可选:1、2、64、128。在 PGA=128 时,有效
分辨率可达 20.7 位(工作在 5V)。
CS1238 内置 RC 振荡器,无需外置晶振。
CS1238 可以通过 DRDY / DOUT 和 SCLK 进行多种功能模式的配置,例如用作温度
检测、PGA 选择、ADC 数据输出速率选择等等。
CS1238 具有 Power down 模式。
VDD
GND
REFOUT
REFIN
AINP1
AINN1
ΔΣADC
PGA
AINP2
SCLK
Input
Mux
AINN2
DRDY/DOUT
PGA=1\2\64\128
Internal Oscillator
Temp
sensor
GND
图1 CS1238 原理框图
Rev.1.1
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CS1238
1.4
芯片绝对最大极限值
表1 CS1238 极限值
1.5
名称
符号
最小
最大
单位
电源电压
电源瞬间电流
电源恒定电流
数字管脚输入电压
数字输出管脚电压
节温
工作温度
储存温度
芯片管脚焊接温度
VDD
-0.3
6
100
10
DVDD+0.3
DVDD+0.3
150
85
150
240
V
mA
mA
V
V
℃
℃
℃
℃
-0.3
-0.3
-40
-60
CS1238 数字逻辑特性
表2 CS1238 数字逻辑特性
参数
VIH
VIL
VOH
VOL
IIH
IIL
串口时钟SCLK工作频率
最小
典型
0.7×DVDD
DGND
DVDD-0.4
DGND
最大
单位
DVDD+0.1
0.3×DVDD
DVDD
0.2×DVDD
10
V
V
V
V
μA
μA
MHz
-10
1.1
Rev.1.1
条件说明
Ioh=1mA
IoL=1mA
VI=DVDD
VI=DGND
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CS1238
1.6
CS1238 电气特性
所有的参数测试在环境温度-40~85℃、内置基准的条件下测试,除非有其它注明。
参数
模拟输入
满幅输入电压
(AINP-AINN)
共模输入电压
差分输入阻抗
表3 CS1238 电气特性(VDD = 5V、3.3V )
条件
最小值
典型值
±0.5VREF/PGA
PGA=1,2
PGA=64,128
PGA=1、2
PGA=64、128
系统性能
分辨率
AD速率
无失码
建立时间
全建立
P-P噪声
PGA=128、 10Hz
有效精度
PGA=128、10Hz
积分线性度
失调误差
失调误差漂移
增益误差
增益误差漂移
参考电压输入
参考电压输入
参考电压输出
参考电压输出
时钟
内部振荡器频率
内置时钟温漂
温度传感器
温度测量误差
参数
电源电压
工作电流
参数
电源电压
工作电流
最大值
PGA=128
PGA=128
PGA=128
PGA=128
PGA=128
REFIN
AGND-0.1
AGND+0.75
V
AVDD+0.1
AVDD-0.75
210
29
24
10
1280
3:ADC输出速率为10\40Hz、
4:ADC输出速率为640\1280Hz
150
20.7(5V)
20.2(3.3V)
±15
±1.4
20
±0.5
8
1.5
REFOUT
TempError
VDD
VDD+0.1
V
V
MΩ
MΩ
Bits
Hz
转换周期
nv
Bit
ppm
μV
nv/℃
%
ppm/℃
V
VDD
V
5.2
250
MHz
ppm/℃
±3
℃
表4 CS1238 电源电气特性(VDD = 5V)
条件
最小值
典型值
VDD
4.5
5
1.57
PGA=1、2
正常
模式
2.34
PGA=64、128
Power down
0.1
表5 CS1238 电源电气特性(VDD = 3.3V)
条件
最小值
典型值
VDD
3
3.3
1.26
PGA=1、2
正常
模式 PGA=64、128
2.11
Power down
0.1
Rev.1.1
单位
最大值
5.5
0.1
最大值
3.6
单位
V
mA
mA
μA
单位
V
mA
mA
μA
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CS1238
1.7
芯片引脚
VDD
1
14
DRDY/DOUT
REFOUT
2
13
SCLK
REFIN
3
12
NC
CS1238
GND
4
11
GND
NC
5
10
NC
AINP1
6
9
AINN2
AINN1
7
8
AINP2
图2 CS1238 芯片引脚图
表6 PIN 脚说明
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
引脚名称
VDD
REFOUT
REFIN
GND
NC
AINP1
AINN1
AINP2
AINN2
NC
GND
NC
SCLK
DRDY / DOUT
输入/输出
P
AO
AI
P
AI
AI
AI
AI
P
DI
DI/DO
说明
电源
基准源输出
基准源输入
芯片地
空脚
通道 1 正输入
通道 1 负输入
通道 2 正输入
通道 2 负输入
空脚
芯片地
空脚
SPI 输入接口
SPI 数据输入/输出接口
注:REFOUT 即是传感器激励源输出(输出值为 VDD)。
Rev.1.1
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CS1238
2
2.1
芯片功能模块描述
模拟输入前端
CS1238 中有 1 路 ADC,集成了 2 通道差分输入,信号输入可以是差分输入信号 AINP1、
AINN1 或 AINP2、AINN2,也可以是温度传感器的输出信号,输入信号的切换由寄存器
(ch_sel[1:0])控制,其基本结构如下图所示:
Temp
sensor
AINP1
Input Mux
PGA
2nd sigma delta ADC
AINN1
AINN2
REF
AINP2
图3 模拟输入结构图
CS1238 的 PGA 可配:1、2、64、128,由寄存器(pga_sel[1:0])控制;
基准电压可以由外部输入也可是内部输出,如果要使用外部基准电压,要先关闭内部
基准,内部基准控制由寄存器(refo_off)控制。
2.2
温度传感器
芯片内部提供温度测量功能。当 ch_sel[1:0]=2’b10 时,ADC 模拟信号输入接到内部温度传
感器,其它的模拟输入信号无效。ADC 通过测量内部温度传感器输出的电压差来推导出实
际的温度值。当 ch_sel[1:0]=2’b10 时,ADC 只支持 PGA=1。温度传感器需要进行单点校
正。校正方法:在某个温度点 A 下,使用温度传感器进行测量得到码值 Ya。
那么其他温度点 B 对应的温度= Yb*(273.15+A)/Ya-273.15
A 温度单位是摄氏度。Ya 是 A 点对应温度码值。Yb 是 B 点对应温度码值。
Rev.1.1
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CS1238
低噪声 PGA 放大器
2.3
CS1238 提供了一个低噪声,低漂移的 PGA 放大器与桥式传感器差分输出连接,其基
本结构图如下图所示,前置抗 EMI 滤波器电路 R=450Ω,C=18pF 实现 20M 高频滤波。低
噪声 PGA 放大器通过 RF1,R1,RF2 实现 64 倍放大,并和后级开关电容 PGA 组成 64 和
128 的 PGA 放大。通过 pga_sel[1:0]来配置 1、2、64、128 等不同的 PGA。当使用
PGA=1,2 时,64 倍低噪声 PGA 放大器会被关断以节省功耗。当使用低噪声 PGA 放大器
时,输入范围在 GND+0.75V 到 VDD-0.75V 之间,超出这个范围,会导致实际性能下降。
在 CAP 端口处接一个内置 45pF 电容,与内置 2k 电阻 RINT 组成一个低通滤波,用作低噪
声 PGA 放大器的输出信号的高频滤波,同时该低通滤波器也可以作为 ADC 的抗混叠滤波
器。
图4 PGA 结构图
CS1238 内置 Buffer,当 PGA=1,2 时,CS1238 使用 Buffer 来减少由于 ADC 差分输入
阻抗低带来的问题,例如建立时间不足,增益误差偏大等等,当 PGA=64,128 时,
CS1238 也使用 Buffer 来减少由于低噪声 PGA 经过 RINT=2K,CINT=0.1μF 的低通滤波后
带来的建立误差,增益误差以及内码漂移的现象。
Rev.1.1
第 11 页,共 20 页
CS1238
时钟信号源
2.4
CS1238 使用内置晶振来提供系统所需要的时钟频率,典型值为 5.2MHz。
复位和断电(POR&power down)
2.5
当芯片上电时,内置上电复位电路会产生复位信号,使芯片自动复位。
当 SCLK 从低电平变高电平并保持在高电平超过 100µs,CS1238 即进入 PowerDwon
模式,此时功耗低于 0.1μA。当 SCLK 重新回到低电平时,芯片会重新进入正常工作状
态。
当系统由 Power down 重新进入正常工作模式时,此时所有功能配置为 PowerDown 之
前的状态,不需要进行功能配置。
Rev.1.1
第 12 页,共 20 页
CS1238
SPI 串口通信
2.6
CS1238 中采用 2 线 SPI 串行通信,通过 SCLK 和 DRDY / DOUT 可以实现数据的接
收以及功能配置。
2.6.1
建立时间
在 ADC 数据输出速率为 10Hz 或 40Hz 时,数字部分需要有 3 个数据转换周期满足模
拟输入信号的建立和滤波器的建立时间要求;ADC 数据输出速率为 640Hz 或 1280Hz 时,
数字部分需要有 4 个数据转换周期满足模拟输入信号的建立和滤波器的建立时间要求。
CS1238 整个建立过程如下图所示:
电源上电\PowerDown
恢复\通道切换
完成
模拟
建立
DRDY
t1
t2
图5 CS1238 数据建立过程 1
PGA切换、速率切换
完成
模拟
建立
DRDY
t2
t3
图6 CS1238 数据建立过程 2
参数
t1
t3
t2
(1)
描述
电源上电\PowerDown 恢复\通道切换之后模拟所需的
建立时间
PGA 切换\速率切换之后模拟所需的建立时间
10\40Hz
建立时间 ( DRDY / DOUT 保持高电
640\1280Hz
平)
Rev.1.1
最小值
典型值
最大值
单位
2
ms
0.8
μs
ms
ms
300\75
6.25\3.125
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CS1238
2.6.2
ADC 数据输出速率
CS1238 数据输出速率可以通过寄存器 speed_sel[1:0]配置。
表7 输出速率设置
SPEED_SEL[1:0]
00
2.6.3
ADC 输出速率
(Hz)
10
01
40
10
640
11
1280
数据格式
CS1238 输出的数据为 24 位的 2 进制补码,最高位(MSB)最先输出。最小有效位
(LSB)为(0.5VREF/Gain)/(223-1)。正值满幅输出码为 7FFFFFH,负值满幅输出码为
800000H。下表为不同模拟输入信号对应的理想输出码。
表8 理想输出码和输入信号(1)
输入信号 VIN (AINP-AINN)
理想输出
7FFFFFH
≥+0.5VREF/Gain
23
(+0.5VREF/Gain)/(2 -1)
000001H
0
000000H
(-0.5VREF/Gain)/(223-1)
FFFFFFH
800000H
≤+0.5VREF/Gain
(1)不考虑噪声,INL,失调误差和增益误差的影响
2.6.4
数据准备/数据输入输出( DRDY / DOUT )
DRDY / DOUT 引脚有 4 个用途。第一,当输出为低时,表示新的数据已经转换完成;第
二,作为数据输出引脚,当数据准备好后,在第 1 个 SCLK 的上升沿后, DRDY / DOUT
输出转换数据的最高位(MSB)。在每一个 SCLK 的上升沿,数据会自动移 1 位。在 24 个
SCLK 后将所有的 24 位数据读出,如果这时暂停 SCLK 的发送, DRDY / DOUT 会保持
着最后一位的数据,直到下一个数据准备好之前拉高,此后当 DRDY / DOUT 被再次拉
低,表示新的数据已经转换完成,可进行下一个数据读取;第三,在第 25、26 个 SCLK
时,输出寄存器状态更新标志;第四,作为寄存器数据写入或读出引脚,当需要配置寄存
器或读取寄存器值时,SPI 需要发送 46 个 SCLK,根据 DRDY / DOUT 输入的命令字,判
断是写寄存器操作还是读寄存器操作。
2.6.5
串行时钟输入(SCLK)
串行时钟输入 SCLK 是一个数字引脚。这个信号应保证是一个干净的信号,毛刺或慢速的
上升沿都会可能导致读取错误数据或误入错误状态。因此,应保证 SCLK 的上升和下降时
间都小于 50ns。
Rev.1.1
第 14 页,共 20 页
CS1238
2.6.6
数据发送
CS1238 可以持续的转换模拟输入信号,当将 DRDY / DOUT 拉低后,表明数据已经
准备好接受,输入的第一个 SCLK 来就可以将输出的最高位读出,在 24 个 SCLK 后将所有
的 24 位数据读出,如果这时暂停 SCLK 的发送, DRDY / DOUT 会保持着最后一位的数
据,直到其被拉高,第 25 和 26 个 SCLK 输出配置寄存器是否有写操作标志,第 25 个
SCLK 对应的 DRDY / DOUT 为 1 时表明配置寄存器 Config 被写入了新的值,第 26 个
SCLK 对应的 DRDY / DOUT 为芯片扩展保留位,目前输出一直为 0,通过第 27 个 SCLK
可以将 DRDY / DOUT 拉高,此后当 DRDY / DOUT 被再次拉低,表示新的数据已经准
备好接受,进行下一个数据的转换。其基本时序如图所示:
Data
Data Ready
New Data Ready
MSB
DRDY/DOUT
LSB
23
22
0
21
t6
t5
t4
SCLK
t7
t8
1
24
t5
t9
图7 CS1238 读取数据时序图 1
Data ready
ADC Data(output)
Data ready
Force High
MSB
LSB
23
update1 update2
0
drdyout
1
25
24
26
27
SCLK
图8 CS1238 读取数据时序图 2
表9 读取数据时序表
SYMBOL
DESCRIPTION
MIN
TYP
MAX
UNITS
0
ns
t5
DRDY / DOUT 变低后到第一个SCLK上升
沿
SCLK 高电平或低电平脉宽
455
ns
t6
SCLK上升沿到新数据位有效(传输延迟)
455
ns
t7
SCLK上升沿到旧数据位有效(保持时间)
227.5
t8
数据更新, 不允许读之前的数据
t4
t9
转换时间 (1/data rate)
455
ns
26.13
μs
10Hz
100
ms
40Hz
640Hz
1280Hz
25
1.5625
0.78125
ms
ms
ms
Rev.1.1
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CS1238
2.6.7
功能配置
CS1238 可以通过 SCLK 和 DRDY / DOUT 可以进行不同功能的配置,功能配置时序
图如下图所示:
CS1238配置写时序
Data ready
寄存器写状态
Data(output)
MSB
Force High
DRDY(input)
23
0
DRDY(output)
Data ready
Force High
LSB
//
写命令字数据
update1 update2
DRDY
Function config
//
//
1
25
24
26
27
28
29
30
31
36
SCLK
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
//
update1 或updat2
被置位
CS1238配置读时序
Data ready
寄存器写状态
Data(output)
MSB
Force High
DRDY(input)
23
0
Data ready
DRDY(output)
Force High
LSB
//
写命令字数据
update1 update2
DRDY
Function config
//
//
1
24
25
26
27
28
29
30
31
SCLK
36
37
38
39
40
41
42
43
//
44
45
46
update1 或updat2
被清零
图9 功能配置时序图
功能配置过程简述,在 DRDY / DOUT 由高变低之后:
1. 第 1 个到第 24 个 SCLK,读取 ADC 数据。如果不需要配置寄存器或者读取寄
存器,可以省略下面的步骤。
2. 第 25 个到第 26 个 SCLK,读取寄存器写操作状态。
3. 第 27 个 SCLK,把 DRDY / DOUT 输出拉高。
4. 第 28 个到第 29 个 SCLK,切换 DRDY / DOUT 为输入。
5. 第 30 个到第 36 个 SCLK,输入寄存器写或读命令字数据(高位先输入)。
6. 第 37 个 SCLK , 切 换 DRDY / DOUT 的 方 向 ( 如 果 是 写 寄 存 器 ,
DRDY / DOUT 为输入;如果是读寄存器, DRDY / DOUT 为输出)。
7. 第 38 个到第 45 个 SCLK,输入寄存器配置数据或输出寄存器配置数据(高位先
输入/输出)。
8. 第 46 个 SCLK,切换 DRDY/ DOUT 为输出,并把 DRDY/ DOUT 拉高。
update1/ update2 被置位或清零。
2.6.7.1 SPI 命令字
CS1238 有 2 个命令字,命令字的长度为 7bits,命令字描述如下:
表10 CS1238 命令字说明表
命令名称
命令字节
描述
写配置寄存器
0x65
写配置寄存器 Config
读配置寄存器
0x56
读配置寄存器 Config
Rev.1.1
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CS1238
2.6.7.2 SPI 寄存器
CS1238 有一组寄存器 Config。
Config 寄存器
寄存器
R/W
描述
复位值
描述
保留位
配置寄存器
0x0C
配置位
B7
B6
描述
保留位
REF 输出开关
配置位
B3
B2
描述
B5
B4
ADC 输出速率选择
B1
PGA 选择
B0
通道选择
表11 Config 寄存器说明表
Bits
[7]
描述
-
[6]
REFO_OFF
[5:4]
SPEED_SEL
芯片保留使用位。默认为 0,写入时写 0,不要写 1
REF 输出开关:默认 REF 输出开启
1=关闭 REF 输出。
0=REF 正常输出。
ADC 输出速率选择:默认为 10Hz
SPEED_SEL[1:0]
描述
00
ADC 输出速率为 10Hz
01
ADC 输出速率为 40Hz
10
ADC 输出速率为 640Hz
11
ADC 输出速率为 1280Hz
PGA 选择:默认 PGA 为 128,在测温模式下 PGA_SEL=00
PGA_SEL[1:0]
描述
[3:2]
PGA_SEL
00
1
01
2
10
64
11
128
通道选择:默认通道为通道 A
CH_SEL[1:0]
[1:0]
CH_SEL[1:0]
Rev.1.1
描述
00
通道 A
01
通道 B
10
温度
11
内短
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CS1238
2.6.8
Power down 模式
当 SCLK 从低电平变高电平并保持在高电平超过 100µs,CS1238 即进入 PowerDwon
模式,这时会关掉芯片所有电路,功耗接近 0。当 SCLK 重新回到低电平时,芯片会重新
进入正常工作状态。
Data ready
//
DRDY
//
t11
SCLK
t10
PowerDown
图10 CS1238 PowerDown 模式示意图
symbol
描述
最小值
t10
SCLK高电平保持时间
100μs
t11
SCLK下降之后低电平保持时间
10μs
Rev.1.1
典型值
最大值
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CS1238
3
芯片的封装
CS1238 采用 SOP14\DIP14 封装。
3.1
SOP-14pin
图11 芯片 SOP14 封装尺寸信息
SYMBOLS
3.2
MIN
NOR
MAX
1.727
0.254
0.508
0.249
8.737
3.987
-
A
A1
B
C
D
E
e
1.473
0.101
0.330
0.190
8.534
3.810
-
(mm)
1.625
0.406
0.203
8.661
3.911
1.270
H
5.791
5.994
6.197
L
0.381
0.635
1.270
θ °
0°
-
8°
DIP-14pin
Rev.1.1
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CS1238
图12 芯片 DIP14 封装尺寸信息
SYMBOLS
MIN
NOR
MAX
A
A1
A2
D
E
E1
L
0.381
3.175
18.669
6.223
2.921
(mm)
3.302
1.905
7.62
6.35
3.302
eB
8.509
9.017
9.525
θ°
0°
7°
15°
Rev.1.1
5.334
3.429
19.685
6.477
3.810
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