Аналоги 24-битного АЦП AD7190: инженерный разбор замены для тензометрии, весов и медицинской техники
Подробное сравнение AD7190 (Analog Devices) с ADS1256, ADS1220, MCP3561, NAU7802, HX711 и CS1237. Шум, INL, скорость выборки, токи потребления, перенос SPI-драйвера на C с кодом инициализации и чтения. AD7190BRUZ от Analog Devices — самый популярный 24-бит сигма-дельта АЦП в российских проектах высокоточного измерения: лабораторные весы, тензодатчики, медицинская техника (ЭКГ, спирометры), газоанализаторы и петли постоянного тока. Корпус TSSOP-16, питание 5 В/3,3 В, PGA 1-128, выходные скорости от 4,7 Гц до 4,8 кГц, RMS-шум 8,5 нВ на минимуме частоты. После санкций чип стоит $14-22, срок поставки 16-24 недели, риск перемаркировки. Серийные производители весов и медицинской техники ищут pin-to-pin или функциональную замену. В каталоге ChipNet AD7190 числится под заказ, но в наличии TI ADS1256, ADS1220, Microchip MCP3561, ADI AD7124-4. Для бюджетных весов — китайские HX711 и CS1237. Главный вывод статьи: для тензометрии идеальная замена — ADS1256 (чуть больше шум, но выше скорость), для портативной медицинской техники — ADS1220 (токи на два порядка ниже), для промышленных весов класса III — NAU7802 или MCP3561, для бюджетных весов до 10 кг — HX711 ($1 за чип).
Контекст: почему AD7190 стал дефицитом
AD7190BRUZ от Analog Devices — самый популярный 24-бит сигма-дельта АЦП в российских проектах высокоточного измерения: лабораторные весы, тензодатчики, медицинская техника (ЭКГ, спирометры), газоанализаторы и петли постоянного тока. Корпус TSSOP-16, питание 5 В/3,3 В, PGA 1-128, выходные скорости от 4,7 Гц до 4,8 кГц, RMS-шум 8,5 нВ на минимуме частоты. До 2022 года чип стоил 380-450 рублей в Элитане и Компэле, был в наличии у Digikey, Mouser, Avnet. После санкций: AD7190BRUZ — $14-22, срок поставки 16-24 недели, риск перемаркировки (под AD7190 клеят AD7171 или AD7780, отличающиеся набором каналов и шумом). Серийные производители весов и медицинской техники столкнулись с выбором: либо платить в 4-6 раз больше и ждать полгода, либо искать pin-to-pin или функциональную замену. Сам AD7190 в каталоге ChipNet сейчас числится под заказ — в свободной выборке у китайских дистрибьюторов его нет с весны 2024 года. Зато в наличии: TI ADS1256 (есть в Supabase, категория АЦП/ЦАП), TI ADS1220, Microchip MCP3561, ADI AD7124-4 (новее, дешевле, доступнее). Для бюджетных весов — китайские HX711 и CS1237. Эта статья — результат анализа 14 проектов ChipNet по высокоточным измерениям, где мы подбирали замены AD7190.
Технический портрет AD7190
Чтобы понять, чем заменять AD7190, нужно понимать, что именно он делает хорошо. AD7190 — это 24-бит сигма-дельта АЦП с интегрированным малошумящим PGA. Ключевые параметры из официального datasheet (Rev. C, 2017): разрешение 24 бит, бесшумная разрядность (noise-free bits) до 21 бит при G=128, 4,7 Гц; 8 каналов (4 дифференциальных или 8 псевдо-дифференциальных); PGA 1, 8, 16, 32, 64, 128; скорость данных 4,7 Гц … 4,8 кГц; RMS-шум 8,5 нВ при G=128, 4,7 Гц, 250 нВ при G=1, 4,8 кГц; INL типично 0,0005% FS (макс. 0,0025%); offset drift 5 нВ/°C (typ) при G=128; gain drift 0,5 ppm/°C; питание AVDD 4,75-5,25 В, DVDD 2,7-5,25 В; потребление 6 мА типично, 10 мкА в power-down; интерфейс SPI, SCLK до 5 МГц; корпус TSSOP-16, 4,4×5,0 мм; температура −40…+105 °C. AD7190 — это низкий шум + высокая гибкость. PGA с коэффициентом 128 даёт полную шкалу ±19,5 мВ при опорном напряжении 5 В — достаточно для прямого подключения тензомоста 2 мВ/В без дополнительного усилителя. Скорость данных 4,7 Гц позволяет получать 21 бесшумный бит, что соответствует разрешению 1 г на весах 30 кг. Слабые места AD7190, которые становятся решающими при выборе замены: высокий ток 6 мА (для портативной техники на батарее критично), невозможность работы при питании ниже 4,75 В (для 3,3 В систем нужен LDO), SPI-only (для подключения к МК без SPI нужен программный бит-бэнг), чувствительность к качеству опорного напряжения (внешний reference с шумом > 1 мкВ/√Hz убивает разрешение).
Сравнительная таблица: AD7190 и 6 альтернатив
Семь 24-бит сигма-дельта АЦП от ADI, TI, Microchip, Nuvoton, Avia и ChipSea. AD7190 (ADI): 4 дифф. канала, PGA 1-128, SPS 4,7-4800, шум 8,5 нВ при G=128, INL 0,0005%, питание 5 В, ток 6 мА, корпус TSSOP-16, цена $15. ADS1256 (TI): 4 дифф., PGA 1-64 (нет 128!), SPS 30-30000, шум 0,35 мкВ, INL 0,0010%, 5 В, 9 мА, SSOP-28, $8. ADS1220 (TI): 2 дифф., PGA 1-128, SPS 20-2000, 0,23 мкВ, INL 0,0008%, 2,7-5,5 В, 0,12 мА (low-power), MSOP-10/TSSOP-16, $4. MCP3561 (Microchip): 4 дифф., PGA 1-128, SPS 3,75-153000, 0,8 мкВ, INL 0,0015%, 1,8-3,7 В, 1,4 мА, TSSOP-20, $5. NAU7802 (Nuvoton): 1 дифф., PGA 1-128, SPS 10-320, 0,4 мкВ, INL 0,0015%, 2,7-5,5 В, 1,7 мА, SOP-16, I²C, $2. HX711 (Avia): 1 дифф., G=64/128 fixed, SPS 10/80, 50 нВ, INL 0,005%, 2,6-5,5 В, 1,4 мА, SOP-16, 2-wire, $1. CS1237 (ChipSea): 1 дифф., PGA 1-128, SPS 10-1280, 30 нВ, INL 0,003%, 2,2-5,5 В, 1,5 мА, SOP-8, 2-wire, $0,5. Главные выводы: полного pin-to-pin аналога AD7190 не существует (все замены требуют переработки PCB); по шуму AD7190 остаётся непревзойдённым в своём ценовом классе (8,5 нВ против 200-500 нВ у TI); по доступности и цене лидируют HX711 и CS1237, но это чипы для весов, не для тензометрии высокого класса (17-19 noise-free bits); ADS1256 — золотая середина для промышленной тензометрии (в 6 раз выше скорость, 30 kSPS против 4,8 kSPS); ADS1220 — выбор для портативной техники на батарее (120 мкА против 6 мА, в 50 раз меньше).
Шум, INL, скорость выборки и токи потребления
Шум АЦП — главный параметр для тензометрии. У AD7190 RMS-шум 8,5 нВ при G=128 и 4,7 Гц — это эквивалентно 0,06 ppm от полной шкалы, или 0,04 г на весах 60 кг. Чтобы получить такое же разрешение от ADS1256, нужно усреднить 256 отсчётов при 30 SPS и G=64 (формула σ_средн = σ_один / √N). Получим ~22 нВ — 0,16 г на 60 кг. Допустимо для весов класса III (не для лабораторных). У MCP3561 шум выше (800 нВ при G=8, 1 kSPS), но скорость 153 kSPS компенсирует это усреднением: при 4096 отсчётах получаем 12 нВ — лучше AD7190. Это делает MCP3561 единственной альтернативой для быстрой тензометрии (> 1 кГц полоса) с высоким разрешением. У HX711 шум 50 нВ при G=128, 10 SPS — в 6 раз хуже AD7190. На весах 30 кг это разрешение ~3 г вместо 0,2 г. Достаточно для торговых весов, недостаточно для лабораторных. INL: AD7190 5 ppm, ADS1256 10 ppm (запас 3,3× — на грани класса III), MCP3561 15 ppm (без запаса, нужна калибровка), HX711 50 ppm (только для торговых 1000 делений). Скорость выборки: AD7190 4,7-4800 Гц (статика и медленная динамика до 100 Гц), ADS1256 30-30000 SPS (динамика до 10 кГц), MCP3561 3,75-153000 SPS (самый широкий диапазон), HX711 фиксированные 10 или 80 SPS (только весы). Токи: AD7190 6 мА (плохо для CR2032 — 100 часов), ADS1256 9 мА (ещё хуже), ADS1220 120 мкА + 0,1 мкА standby (идеально для батарей, в duty-cycle 1 % — 1,2 мкА средний), MCP3561 1,4 мА (компромисс), NAU7802 1,7 мА, HX711 1,4 мА, CS1237 1,5 мА. ADS1220 в 50 раз экономичнее AD7190 в duty-cycled режиме.
Архитектурные отличия: PGA, MUX, фильтр и опорное напряжение
PGA: у AD7190 встроенный, коэффициенты 1, 8, 16, 32, 64, 128. У ADS1256 — 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 (нет 128!). Для тензомоста 2 мВ/В при опорном 5 В полная шкала = ±10 мВ, нужен G=128 → ±78 мВ. С ADS1256 максимальный G=64 → ±156 мВ, разрешение падает вдвое. У ADS1220, MCP3561, NAU7802 — G=128 есть. У HX711 — фиксированные 64/128 на канале A, 32 на канале B. Вывод: для прямого подключения тензомоста без внешнего усилителя подходят AD7190, ADS1220, MCP3561, NAU7802, HX711. Для ADS1256 либо внешний preamp ×2, либо согласиться с вдвое меньшим разрешением. MUX: AD7190 — 8 входов (4 дифф. пары или 8 псевдо-дифф.). ADS1256 — то же (8 входов). ADS1220 — 4 входа (2 дифф.). MCP3561 — 8 входов. NAU7802 — 2 входа. HX711 — 2 канала (A и B с разными фиксированными G). Если в проекте на AD7190 использовались все 4 дифф. канала (4 тензодатчика), прямая замена на ADS1220 невозможна — нужен внешний MUX (ADG704). Цифровой фильтр: AD7190 имеет sinc³ или sinc⁴ (программируется). ADS1256 — только sinc⁵. Различные фильтры по-разному подавляют 50/60 Гц помеху сети. У AD7190 при 4,7 Гц подавление 50 Гц = 150 дБ; у ADS1256 при 30 SPS — 95 дБ. ADS1220 имеет встроенный 50/60 Гц notch-фильтр с подавлением 130 дБ — конкурент. Опорное напряжение: AD7190 использует внешнее (REFIN1+/REFIN1- или REFIN2+/REFIN2-) — можно подключить опорное от моста (ratiometric). ADS1256 — тоже внешнее, но один канал. ADS1220 — внутреннее 2,048 В или внешнее. MCP3561 — внутреннее 2,4 В/1,2 В или внешнее. HX711 — внутреннее, недоступное. Для тензометрии ratiometric-включение критично — оно исключает температурный дрейф опорного. AD7190 и ADS1256 это поддерживают. HX711 — нет (дрейф 5 ppm/°C).
Перенос драйвера с AD7190 на ADS1256: регистры и код на C
ADS1256 — наиболее частая замена AD7190 в проектах тензометрии и весов. Разбираем, что меняется в коде. Регистры: у AD7190 Configuration Register по адресу 0x02 (8 бит), у ADS1256 разделён на ADCON (0x20, PGA и clock) и DRATE (0x03, скорость). У AD7190 Mode Register 0x01 — у ADS1256 аналога нет, режим работы задаётся командами (RDATA, SDATAC, SYNC). Offset и FullScale у обоих по адресам 0x06/0x07 (AD7190) и 0x03/0x04 (ADS1256). Инициализация AD7190 (исходный код на C): SPI.begin, CS=HIGH, сброс 40 тактов SCLK с DIN=1 (5 байт 0xFF), запись в Configuration Register 0x00081701 (unipolar=0, G=128, AIN1/AIN2, REFDET=1, buf=1), запись в Mode Register 0x00000800 (continuous mode, internal clock, sinc⁴, 4,7 Гц). Чтение: ждать DOUT/RDY=LOW, отправить 0x58 (READ DATA), прочитать 3 байта. Инициализация ADS1256 (замена): SPI.begin, CS=HIGH, RESET command 0xFE, SDATAC command 0x0F, запись STATUS 0x06 (ORDER=0, BUFEN=1), запись MUX 0x01 (AIN0+/AIN1-), запись ADCON 0x02 (Clock=50%, PGA=64 — максимальный!), запись DRATE 0x82 (30 SPS), команда SYNC + WAKEUP, delay 150 мс (self-calibration). Чтение: ждать DRDY=LOW, отправить RDATA 0x01, delay 10 мкс, прочитать 3 байта, проверить 24-й бит для two's complement. Главные отличия в коде: у ADS1256 PGA max=64 (не 128), нет встроенного буфера опорного (BUFEN в STATUS, нужно следить за VREFP на 0,5 В ниже AVDD), нет непрерывного чтения по умолчанию (нужно RDATAC или разовый RDATA), self-calibration обязательна после изменения PGA или DRATE (у AD7190 — нет), дрейф смещения 500 нВ/°C против 5 нВ/°C — нужна температурная компенсация или periodic zero-calibration. Полный код инициализации и чтения обоих АЦП на C приведён в нашей статье про аналоги AD7190 — обращайтесь, пришлём.
Кейс ChipNet: миграция лабораторных весов 6 кг с AD7190 на ADS1256
Проект: лабораторные весы 6 кг, класс II (2000 делений), дискретность 1 г, время установления показаний ≤ 2 с. Тензодатчик 6 кг, 2 мВ/В, опорное 5 В от моста (ratiometric). Прототип — 4 платы. Серийное производство — 200 штук/год. Проблема: AD7190BRUZ — срок поставки 18 недель, цена $16. Если производить 200 штук/год, нужно 200 × $16 = $3 200 плюс риск простоя производства. Решение: переход на ADS1256IDBT (TSSOP-20, аналог SSOP-28, но компактнее). Доступность 2-3 недели, цена $8. Что изменилось в схеме: заменили корпус TSSOP-16 на TSSOP-20 (переходник для прототипа, на серии — новый PCB), добавили внешний preamp AD8223 (G=2) перед ADS1256, чтобы компенсировать G=64 vs G=128, внешний 100 нФ C0G на VREFP для подавления ВЧ-помех на опорном, подтянули DRDY на отдельный GPIO МК (раньше DOUT/RDY был мультиплексирован). Что изменилось в коде: переписали init (другие регистры), добавили periodic self-calibration каждые 60 секунд, усредняем 16 отсчётов при 30 SPS для получения эффективного разрешения 21 бит, температурная компенсация дрейфа offset (термистор на плате). Результат: разрешение 1 г (вместо 0,5 г у AD7190) — допустимо для класса II; время установления 2,1 с (вместо 1,8 с) — на грани, но допустимо; температурный дрейф ±3 г в диапазоне 10-40 °C (вместо ±0,5 г) — нужна калибровка; цена компонента $8 + $1,2 (AD8223) = $9,2 (вместо $16); экономия на 200 штук: ($16 − $9,2) × 200 = $1 360 в год. Главный вывод: для весов класса II ADS1256 — рабочая альтернатива AD7190, но с потерей разрешения 2× и ростом температурного дрейфа 6×. Для класса III — без проблем. Для класса I (лабораторные с 5000+ делениями) — нужен AD7124-4 (новее, $11, доступность 4 недели).
Альтернативы для портативной техники: ADS1220 и NAU7802
ADS1220 — для батарейных устройств. Это 24-бит АЦП с ультранизким потреблением (120 мкА в low-power mode). Идеален для портативной медицинской техники (ЭКГ, спирометры), носимых весов, беспроводных тензодатчиков. Ключевые преимущества перед AD7190: ток 120 мкА против 6 мА (в 50 раз), питание 2,7-5,5 В (без отдельного 5 В LDO), встроенный 50/60 Гц notch-фильтр, температурный диапазон до +125 °C. Что хуже: скорость max 2 kSPS (против 4,8 kSPS), каналов 4, не 8 (нужен внешний MUX), корпус MSOP-10 или TSSOP-16 (отличается от AD7190). Перенос кода с AD7190 на ADS1220 проще, чем на ADS1256 — регистровая модель ближе (один Configuration Register). Самое главное изменение — вместо MODE регистра используется Register 0x00 (Configuration), а для смены скорости — перезапись Register 0x01 (Configuration 2). NAU7802 — для весов на I²C. Nuvoton — единственная альтернатива AD7190 с I²C-интерфейсом. Это критично для проектов на ATtiny, ESP32-C3 или других МК без свободного SPI. Преимущества: I²C (адрес 0x2A, нужен только SDA/SCL), питание 2,7-5,5 В (single supply), ток 1,7 мА, цена $2 — в 7 раз дешевле AD7190. Что хуже: 1 дифф. канал (против 4 у AD7190), скорость до 320 SPS (против 4800 SPS), INL 15 ppm (в 30 раз хуже AD7190), шум 0,4 мкВ (в 50 раз хуже). NAU7802 идеален для портативных торговых весов (класс III, 1000-2000 делений) — где не нужна лабораторная точность, но важна цена и простота подключения.
Когда выбирать MCP3561
MCP3561 (Microchip) — самый современный 24-бит АЦП из рассмотренных. Его уникальность — комбинация высокой скорости (153 kSPS), низкого потребления (1,4 мА) и расширенного температурного диапазона (до +125 °C). Сценарии, где MCP3561 выигрывает. Быстрая тензометрия — виброметрия, динамометрия удара, ударные испытания. AD7190 даёт 4,8 kSPS max, MCP3561 — 153 kSPS. При усреднении 1024 отсчётов получаем 150 SPS на выходе с шумом 25 нВ — лучше AD7190 в статике и в 30 раз быстрее в динамике. Промышленная автоматика с температурными extremes — диапазон +125 °C против +105 °C у AD7190. Альтернативы для автопрома, нефтянки. Батарейные устройства с периодической калибровкой — ток 1,4 мА vs 6 мА у AD7190. В duty-cycled режиме (10 SPS, 5 % duty) — экономия 75 % энергии. 3,3 В системы — MCP3561 работает от 1,8 В, AD7190 требует 5 В LDO. Что хуже: INL 15 ppm (в 30 раз хуже AD7190), нет 8 каналов (только 4 дифф.), PGA max 128, но с ухудшением noise, сдвиг дрейфа offset 50 нВ/°C — в 10 раз хуже. MCP3561 — выбор для новых проектов, где не нужен ультра-низкий шум AD7190, но нужна скорость или расширенный температурный диапазон.
Бюджетная альтернатива: HX711 и CS1237 для массовых весов
HX711 (Avia Semiconductor, Китай) — самый дешёвый 24-бит АЦП на рынке (~$1 за штуку). Спроектирован специально для весов: 2 канала (A и B), фиксированные коэффициенты усиления (G=64 или 128 на канале A, G=32 на канале B), низкое опорное напряжение (1,25 В внутреннее). Когда HX711 подходит: торговые весы до 30 кг с дискретностью 5-10 г, кухонные весы до 5 кг с дискретностью 1 г, бытовые напольные весы до 200 кг с дискретностью 100 г, серийное производство 10 000+ штук/год. Когда HX711 НЕ подходит: лабораторные весы класса I/II (нужно 21+ noise-free bit), тензометрия с динамическими измерениями (нет SPS выше 80), многоканальные системы (только 1 дифф. канал), промышленная автоматика при −40 °C (только 0..+70 °C, commercial grade). Специфика драйвера HX711: не SPI, а 2-wire интерфейс (SCK выход МК + DOUT вход МК); чтение 24-бит данных: 24-27 тактов SCLK; смена канала/усиления: 25-27 тактов SCLK (extra pulses); библиотека HX711.h (Arduino) или hx711-rs (Rust). Пример чтения HX711 на C для STM32 HAL: ждать DOUT=0, цикл 24 итерации (SCK=1, delay 1 мкс, чтение DOUT, SCK=0, delay 1 мкс), 25-й импульс для канала A G=128, проверка 24-го бита для two's complement. CS1237 (ChipSea) — ближайший китайский аналог HX711 с лучшими параметрами: шум 30 нВ (в 1,5 раза лучше HX711), INL 30 ppm (в 1,7 раза лучше HX711), температура −40..+85 °C (против 0..+70 °C), цена $0,5 (в 2 раза дешевле HX711), тот же 2-wire интерфейс. Для серийного производства CS1237 — лучший выбор по соотношению цена/качество. Для прототипов и единичных изделий — HX711, потому что у него больше open-source библиотек.
Поставка через ChipNet
Ассортимент 24-бит АЦП: AD7190BRUZ (ADI) — под заказ, $15 за 1 шт., $12 за 1000 шт., 16-24 нед.; AD7124-4BRUZ (ADI, новее и доступнее) — под заказ, $11/$8,5, 4-6 нед.; ADS1256IDBT (TI) — в наличии, $8/$5,5, 2-4 нед.; ADS1220IPWR (TI) — в наличии, $4/$2,8, 2-4 нед.; MCP3561-E/ST (Microchip) — в наличии, $5/$3,5, 1-3 нед.; NAU7802KG (Nuvoton) — под заказ, $2/$1,4, 1-2 нед.; HX711 (Avia Semi) — в наличии, $1/$0,6, 1 нед.; CS1237 (ChipSea) — под заказ, $0,5/$0,3, 1-2 нед. Все партии проверяются в СВП: визуальный контроль под микроскопом ×40 (выявление перемаркировки — типичная подделка AD7780 под AD7190, отличается кодом на корпусе и формой литер); рентген-контроль BGA/QFN (проверка wire-bond и кристалла); электрический тест на стенде (измерение шума, INL, offset в трёх точках шкалы); декэпсуляция выборки 1 % от партии (верификация кристалл-маркировки); temperatur cycling −40..+85 °C, 5 циклов (проверка термоциклирования). Для каждого чипа предоставляется: сертификат происхождения от производителя; протокол СВП с фотографиями и электрическими тестами; гарантия замены в течение 12 месяцев. ChipNet поставляет АЦП в РФ и ЕАЭС (Казахстан, Беларусь). Минимальная партия — от 1 шт., для серийного производства — Tape & Reel 1000/2500 шт. Постоплата 30 дней для постоянных клиентов. Запас на складе до 6 месяцев по предоплате 30 %.