降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度并減少設(shè)計(jì)時(shí)間的ΔΣ ADC電路

采用Easy Drive技術(shù)的增量累加(Δ-Σ)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)不僅功能豐富，而且易于使用。Easy Drive功能簡化或免除了輸入端的有源放大或?yàn)V波電路，軟件接口也比其它類型的ADC簡單得多。它消除了傳統(tǒng)ADC應(yīng)用設(shè)計(jì)的復(fù)雜性(例如需要外部器件和軟件)，可大幅節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間。

表1給出了18款可供貨的Easy Drive器件的特點(diǎn)，包括具有I2C或SPI接口的單通道、4通道或16通道版本。24位器件適合非常高性能的應(yīng)用，而16位器件的通用性更好。在16位器件上還提供一個(gè)可編程增益放大器(PGA)，以滿足中間要求或者用在需要適應(yīng)多種輸入范圍的場合。

簡化高阻抗傳感器測量電路

Δ-Σ ADC具有很高的準(zhǔn)確度和防噪性能，非常適合于直接測量多種類型的傳感器。然而，它的輸入采樣電流要求高源阻抗或低帶寬、微功率信號調(diào)節(jié)電路。Easy Drive技術(shù)通過平衡輸入電流解決了這個(gè)問題，可簡化信號調(diào)節(jié)電路或消除對信號調(diào)節(jié)電路的需要。

表1：完整的Easy Drive Δ-Σ ADC系列。

Δ-Σ ADC的一種常見應(yīng)用是熱敏電阻的測量。圖1給出了兩種受益于Easy Drive技術(shù)的熱敏電阻數(shù)字化測量實(shí)例。第一種電路(施加至輸入通道CH0和CH1)采用兩個(gè)等值基準(zhǔn)電阻器，把輸入共模電壓設(shè)置成與基準(zhǔn)共模電壓相等，并使差分輸入源電阻平衡。如果基準(zhǔn)電阻器R1和R4完全相等，則輸入電流為零，不會導(dǎo)致誤差。如果這些電阻具有1%的容差，則共模電壓偏移大盤導(dǎo)致的測量電阻誤差最大為1.6Ω，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于基準(zhǔn)電阻器自身的1%誤差。由于無需使用放大器，所以這是微功率應(yīng)用中的一個(gè)理想解決方案。

圖1：Easy Drive ADC簡化了高阻抗傳感器的測量電路。

Easy Drive技術(shù)允許用低功率、低帶寬放大器驅(qū)動LTC2492的輸入。如圖1所示，CH2是由LT1494驅(qū)動的。對于一個(gè)具有1.5μA電源電流的放大器來說，LT1494擁有優(yōu)秀的直流參數(shù)，可提供150μV最大偏移電壓和100,000開環(huán)增益。不過，LT1494的帶寬只有2kHz，不適合驅(qū)動傳統(tǒng)的Δ-Σ ADC。增加一個(gè)R=1kΩ、C=0.1μF的濾波器可以解決這一問題，這個(gè)濾波器構(gòu)成了為LTC2492提供瞬時(shí)電流的電荷儲存器，與此同時(shí)1kΩ電阻把容性負(fù)載與LT1494隔離開。這時(shí)由于外部RC網(wǎng)絡(luò)不完全穩(wěn)定，傳統(tǒng)Δ-Σ ADC的輸入采樣電流產(chǎn)生直流誤差。凌力爾特的Easy Drive技術(shù)抵消了差分輸入電流。通過采用R=1kΩ、C=0.1μF的RC網(wǎng)絡(luò)來平衡負(fù)輸入(CH3)，共模輸入電流所致的誤差將被消除。

圖2：在這個(gè)電路中，外部緩沖器提供高阻抗輸入，放大器的偏移被自動消除。

完整的Easy Drive Δ-Σ ADC系列

Easy Drive ADC已被廣泛用在許多應(yīng)用中。帶有集成溫度傳感器的24位、16通道LTC2498非常適用于高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它能直接對熱電偶進(jìn)行數(shù)字化處理而無需任何信號調(diào)節(jié)電路，并提供冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償。它還能直接測量低電平應(yīng)變儀輸出，而且通過增加一個(gè)簡單的阻性分壓器(無需有源電路)就可以測量工業(yè)傳感器電壓。

16位、16通道器件適用于在具有多個(gè)大電流電源的大型電路板上測量電壓和電流。如果COM引腳被接至一個(gè)公共接地點(diǎn)，則可進(jìn)行多達(dá)16項(xiàng)以地為參考電位的測量。只要分路共模電壓低于或等于ADC的電源電壓，那么采用差分輸入(多達(dá)8個(gè)差分輸入通道)就可以實(shí)現(xiàn)電流分路的高壓側(cè)檢測。差分測量還允許對電壓進(jìn)行遠(yuǎn)端采樣，從而消除大接地電流所產(chǎn)生的誤差。

圖3：SPI接口、配置和數(shù)據(jù)輸出時(shí)序圖。

用Δ-Σ ADC測量電源電壓的另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是它對噪聲和開關(guān)瞬變有很強(qiáng)的抑制作用。ADC的內(nèi)部SINC4濾波器(連同ADC輸入端上一個(gè)簡單的單極點(diǎn)濾波器)足以把開關(guān)電源噪聲衰減到ADC噪聲基底以下，這樣就可以得到電源電壓或電流的準(zhǔn)確DC測量值。

單通道LTC2482非常適用于便攜式醫(yī)療設(shè)備和消費(fèi)類產(chǎn)品等成本敏感型應(yīng)用。雖然它的成本相對較低，但它實(shí)質(zhì)上是一款高性能的16位ADC，輸入噪聲基底與24位器件相同，僅有600nV。

圖4：I2C轉(zhuǎn)換序列。

外部緩沖器/放大器的自動偏移校準(zhǔn)

除了Easy Drive輸入電流抵消功能外，16位Easy Drive ADC還允許在復(fù)用器輸出和ADC輸入之間放置一個(gè)外部放大器(圖2)。在那些不可能有平衡源阻抗或源阻抗非常高的應(yīng)用中，這非常有用。全部的17個(gè)模擬輸入可以共用一對外部緩沖器/放大器。LTC2498在每個(gè)轉(zhuǎn)換周期中執(zhí)行一次內(nèi)部偏移校準(zhǔn)，旨在消除ADC的偏移和漂移。這種校準(zhǔn)是通過前端開關(guān)和數(shù)字處理的組合來完成的。由于外部放大器位于復(fù)用器和ADC之間，所以它正好處于校正環(huán)路之內(nèi)，可以自動消除外部放大器的偏移和偏移漂移。

圖5：I2C配置和數(shù)據(jù)輸出時(shí)序圖。

LTC6078是實(shí)現(xiàn)這種功能的理想放大器。它的工作電壓低至2.7V，且電壓噪聲電平也很低，僅18nV/√Hz。LTC2498的Easy Drive輸入允許把RC網(wǎng)絡(luò)直接放在LTC6078的輸出端。該電容可減小ADC輸入端的電流尖峰，而電阻則隔離電容負(fù)載與運(yùn)算放大器輸出，以保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

軟件接口

凌力爾特的Easy Drive ADC對模擬接口的要求很簡單，這與它們對串行接口要求也很簡單性相匹配。無延遲架構(gòu)消除了在多通道器件上進(jìn)行通道切換之后必須刪除讀數(shù)的煩惱。轉(zhuǎn)換的啟動直接由串行接口控制，因此可以在正確的時(shí)間點(diǎn)上接入外部信號調(diào)節(jié)電路或傳感器激勵電路。在每個(gè)轉(zhuǎn)換周期中固有的隱式偏移和增益校準(zhǔn)功能免除了對復(fù)雜內(nèi)部寄存器組或校準(zhǔn)周期的需要。SPI和I2C接口器件的通信均為一種簡單的讀/寫操作。在該操作中，當(dāng)下一個(gè)通道的配置被編程并寫入ADC時(shí)，來自某個(gè)轉(zhuǎn)換周期的數(shù)據(jù)將被讀出。

圖6：采用這種電路可迅速選出哪個(gè)SDI字與每個(gè)輸入通道相對應(yīng)。

圖3顯示了LTC2498的數(shù)據(jù)輸入/輸出操作。這是通道和功能最多的帶SPI接口的ADC，其它SPI器件具有相似接口。圖4是LTC2499的數(shù)據(jù)輸入/輸出操作。它也是擁有最多功能的I2C器件，其它I2C器件具有相似的接口。圖5給出了將通道和配置寫入輸入寄存器的細(xì)節(jié)。

盡管Easy Drive串行接口易于編程(只需讀出用于樣本N的數(shù)據(jù)并設(shè)置用于樣本N+1的通道)，但是，當(dāng)通過調(diào)試程序來檢查某個(gè)微控制器的寄存器時(shí)，想弄清楚剛剛讀出的是什么信息仍頗為棘手。下面介紹一種能顯著降低代碼設(shè)計(jì)難題的硬件方法。在圖6電路中，每個(gè)單端輸入上都施加了一個(gè)已知電壓。當(dāng)采用圖中給出的器件參數(shù)時(shí)，CH0具有101mV電壓，CH1具有202mV電壓，依此類推，直到CH15(它具有1.616V電壓)。圖7是用于差分輸入的等效電路。采用這種電路方案，可迅速選出哪個(gè)SDI字與每個(gè)輸入通道相對應(yīng)。

LTC2448和LTC2449基本通信的C代碼驅(qū)動程序。

LTC2448和LTC2449基本通信的C代碼驅(qū)動程序。