高性能∑-ΔADC的原理及應(yīng)用

摘要：MAX1403是美國MAXIM公司生產(chǎn)的一種高性能ADC芯片，可用于數(shù)字化的前端處理以及溫度測量和變換，并可與單片機(jī)方便地連接。該芯片同時(shí)具有高精度、多功能、低功耗等特點(diǎn)。文中介紹了MAX1403的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用電路。最后指出了MAX1403在裝接及電路板設(shè)計(jì)方面應(yīng)注意的問題。

1 概述

MAX1403是一種18位、過采樣的ADC芯片，它利用∑-Δ調(diào)制器和數(shù)字濾流器可實(shí)現(xiàn)真正的16位轉(zhuǎn)換精度。在應(yīng)用中，為了得到高輸出的數(shù)據(jù)速度，可選擇數(shù)字濾波因子，并可降低轉(zhuǎn)換分辨率。而調(diào)制器的采樣頻率可作為最小功耗和最高輸出數(shù)據(jù)速率選擇的首選條件。

MAX1403能夠提供具有獨(dú)立編程（增益從1V/V～+128V/V）的三路真差動(dòng)輸入通道，并能補(bǔ)償輸入?yún)?shù)電壓的直流失調(diào)。而這三路真差動(dòng)輸入通道還能組成五路偽差動(dòng)輸入通道。另外，該芯片還具有兩個(gè)附加的差動(dòng)校正通道，它能對增益和失調(diào)誤差進(jìn)行校正。

MAX1403能夠?qū)λ休斎胄盘栠M(jìn)行處理，并通過串行數(shù)字接口向外提供轉(zhuǎn)換結(jié)果。當(dāng)主機(jī)時(shí)鐘頻率為2.4576MHz或1.024MHz時(shí)，片內(nèi)數(shù)字濾波器能夠?qū)€路頻率和有關(guān)諧波頻率進(jìn)行處理，并使這些頻率的幅值為零。以使在無需外接濾波器的條件下也能獲得較好的濾波效果，同時(shí)，這也有助于提高輸出端數(shù)字信號的質(zhì)量。

MAX1403的主要特點(diǎn)如下：

●分辨率為18位；

●具有8個(gè)寄存器；

●功耗低

●具有兩個(gè)匹配的傳感器激勵(lì)電流源；

●3個(gè)真差動(dòng)輸入或5個(gè)偽差動(dòng)輸入通道；

●2個(gè)附加輸入校正通道；

●帶有一個(gè)雙向串行通訊接口；

●模擬電源和數(shù)字電源采用獨(dú)立供電方式；

●可用軟件控制增益和失調(diào)。

2 引腳功能

MAX1403芯片采用28引腳SSOP封裝，它的引腳排列如圖1所示。各引腳功能如下：

CLKIN：時(shí)鐘輸入引腳；

CLKOUT：時(shí)鐘輸出引腳。使用外部晶振時(shí)，將外部晶振連在CLKIN和CLKOUT之間；當(dāng)使用外部其它時(shí)鐘信號時(shí)，其時(shí)鐘信號（頻率為2.4576MHz或1.024MHz）在CLKIN輸入，而CLKOUT不連。

CS：片選輸入引腳。低電平有效。當(dāng)CS為低電平時(shí)，允許芯片工作在三線接口模式，并能選擇串行接口上的多個(gè)器件或作為幀同步信號。

RESET：復(fù)位輸入引腳。低電平有效。當(dāng)RESET為低電平時(shí)，能使控制邏輯、接口邏輯、數(shù)字濾波器和模擬調(diào)制器在上電后復(fù)位；RESET為高電平時(shí)，退出復(fù)位。

DS1：輔助數(shù)字輸入位1的數(shù)字輸入引腳；

DS0：輔助數(shù)據(jù)輸入位0的數(shù)字輸入引腳；

OUT2：傳感器激勵(lì)電流源2；

OUT1：傳感器激勵(lì)電流源1；

AGND：模擬地。為模擬電路的參考點(diǎn)；

V+：模擬正電源電壓輸入引腳，選擇范圍為+2.7V～+3.6V；

AIN1～AIN6：分別為模擬輸入通道1～6腳；

CALGAIN-：增益校正負(fù)輸入引腳；

CALGAIN+：增益校正正輸入引腳；

REFIN-：差動(dòng)參考負(fù)輸入引腳；

REFIN+：差動(dòng)參考正輸入引腳；

CALOFF-：失調(diào)校正負(fù)輸入引腳；

CALOFF+：失調(diào)校正正輸入引腳；

DGND：數(shù)字地引腳。為數(shù)字電路參考點(diǎn)；

VDD：數(shù)字電源電壓輸入引腳。范圍在+2.7V～+3.6V之間；

INT：中斷輸出引腳；

DOUT：串行數(shù)據(jù)輸出引腳；

DIN：串行數(shù)據(jù)輸入引腳；

SCLK：串行時(shí)鐘輸入引腳；

3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

MAX1403的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。從圖中可以看出，該芯片由一個(gè)開關(guān)結(jié)構(gòu)、一個(gè)調(diào)制器、一個(gè)PGA（可編程增益放大器）、兩個(gè)緩沖器、一個(gè)DAC、一個(gè)數(shù)字濾波器、一個(gè)振蕩器、兩個(gè)匹配的傳感器激勵(lì)電流源和一個(gè)雙向串行通訊接口組成。

4 主要參數(shù)

為了能充分發(fā)揮MAX1403的性能和正確使用它，必須對推薦參數(shù)和極限參數(shù)有一個(gè)定量的了解，現(xiàn)將主要參數(shù)說明如下：

4.1 工作參數(shù)

MAX1403的推薦工作參數(shù)如下：

●模擬電源電壓（V+）：2.7V～3.6V；

●數(shù)字電源電壓（VDD）：2.7V～3.6V；

●參考電壓：1.25V；

●時(shí)鐘頻率：2.4576MHz；

●無漏碼精度：16位；

●模擬輸入電壓：（VAGND-30mV）～（V++30mV）；

●數(shù)字輸入電壓：0.4V～2V；

●數(shù)字輸出電壓：0.4V～（VDD-0.3V）；

●工作溫度：

MAX1403CA1：0～+70℃；

MAX1403EA1：-40～+85℃；

●功耗：2～22mW；

4.2 極限參數(shù)

下面是MAX1403 ADC芯片的極限參數(shù)。

●模擬電源電壓（V+）：-0.3V～+6V；

●數(shù)字電源電壓（VDD）：-0.3V～+6V；

●模擬地與數(shù)字地間的電壓：-0.3V～+0.3V；

●模擬輸入電壓：-0.3V～（V++0.3V）；

●模擬輸出電壓：-0.3V～（V++0.3V）；

●參考電壓：-0.3V～（V++0.3V）；

●所有數(shù)字輸出電壓：-0.3V～（VDD+0.3V）；

●所有其它數(shù)字輸入電壓：-0.3V～+6V；

●時(shí)鐘輸入和時(shí)鐘輸出電壓：-0.3V～（VDD+0.3V）；

●功耗：50mW。

5 應(yīng)用電路

由于MAX1403具有多種功能，所以在各種寬動(dòng)態(tài)范圍（電子稱和壓力傳感器）和串行接口的單片機(jī)系統(tǒng)中頗受歡迎，下面給出幾個(gè)主要的應(yīng)用電路。

5.1 RTD應(yīng)用電路

由MAX1403和少量外圍元件組成的3線RTD實(shí)用線路如圖3所示。圖中的兩個(gè)電流源（200μA）是經(jīng)過嚴(yán)格匹配的，其目的是為了補(bǔ)償3線RTD線路中的誤差。在3線RTD電路中，如果只作用一個(gè)電流源，那么引線電阻將會(huì)對系統(tǒng)產(chǎn)生誤差，此時(shí)200μA電流通過RL1將產(chǎn)生一個(gè)誤差電壓并加到PGA的兩上輸入端（AIN1和AIN2）。如果再使用另一個(gè)大小和前一個(gè)電流源大小相等的電流源。那么該電流源在RL2也將產(chǎn)生一個(gè)誤差電壓，其大小和RL1的誤差電壓大小相同，方向相反，從而可保證AIN1和AIN2輸入端的誤差電壓為零，即不受引線電阻的影響。圖3中的參考電壓是由一個(gè)電流源（200μA）在12.5kΩ電阻的壓降提供的，這樣設(shè)置能保證ADC獲得更精確的比率結(jié)果。

4線RTD應(yīng)用電路如圖4所示。該圖與3線RTD線路唯一的區(qū)別是測量輸入端AIN1和AIN2沒有引線電阻產(chǎn)生的誤差電壓。電流源OUT1能夠給RTD提供一個(gè)激勵(lì)電流，而電流源OUT2提供的電流，在電阻RREF可產(chǎn)生一個(gè)參考電壓供調(diào)制器使用。在4線RTD應(yīng)用電路中，模擬輸入電壓里的RTD溫度誤差是由于RTD電流源溫漂產(chǎn)生的，它可以利用改變參考電壓的方式進(jìn)行補(bǔ)償，從而使輸入端AIN1和AIN2的誤差電壓達(dá)到零。

5.2 與單片機(jī)的接口電路

由MAX1403和單片機(jī)68HC11組成的接口實(shí)際線路如圖5所示。從圖5中可以看出，該接口電路非常簡單，是花綱單片機(jī)I/O口較少的一種。當(dāng)單片機(jī)具有一個(gè)硬件SPI（串行外設(shè)接口）時(shí)，就能使用三線接口，并與MAX1403直接相連。SPI硬件在SCLK上產(chǎn)生8個(gè)脈沖就能在一個(gè)引腳上移入數(shù)據(jù)，而在另一個(gè)引腳上移出數(shù)據(jù)。

為了獲得最佳效果，可使用一個(gè)硬件中斷來監(jiān)視INT引腳和采集新數(shù)據(jù)（硬件中斷有效時(shí)）。如果硬件中斷無效或中斷執(zhí)行時(shí)間比選擇轉(zhuǎn)換速率時(shí)間長，可使用SYNC位來防止測量時(shí)從數(shù)據(jù)輸出寄存器中讀出數(shù)據(jù)。

MAX1403的另一種接口電路如圖6所示。從圖中看出，該接口電路所耗費(fèi)的單片機(jī)I/O口更少，線路更簡潔。全體單片機(jī)的I/O引腳均可與MAX1403接口。如果一個(gè)雙向中開漏I/O引腳有效，即可把DOUT和DIN相連，從而進(jìn)一步降低接口引腳數(shù)。要使用MAX1403三線接口，圖中CS引腳必須接地。

5.3 4～20mA變送器

由MAX1403和μC/μP及DAC等電路組成的4～20mA變送器如圖7所示。這是一種低電壓、單電源供電、易與光耦合器接口的變送器，其性能非常良好。變送器從4～20mA環(huán)路中得到功率（能量），從而使變送器電路的電流被限制在4mA。如果把環(huán)路電流的容限進(jìn)一步限制在3.5mA，那么變送器仍然可將環(huán)路電流保持在3.25mA，因?yàn)镸AX1403本身消耗電流為250μA（0.25mA）。

6 印刷電路板和元件裝接中的問題

為了使ADC獲得最佳的性能，必須使用模擬地和數(shù)字地分開的印刷電路板。在印刷電路板的設(shè)計(jì)中，特別要注意地線的布置。通常把模擬地和數(shù)字地獨(dú)立設(shè)置在各自電路中，然后把模擬地和連到一點(diǎn)（星號標(biāo)志）。如果系統(tǒng)中只有一片MAX1403，那么可把該片的AGND和DGND引腳一起連到地平面；如果系統(tǒng)中有多片MAX1403，那么可把多塊芯片的AGND和DGND引腳相連，爾后連到一個(gè)公共點(diǎn)，而這個(gè)公共點(diǎn)應(yīng)盡量靠近MAX1403的星形地。

數(shù)字地嚴(yán)禁設(shè)計(jì)在芯片下面，因?yàn)檫@樣會(huì)把噪聲耦合給芯片，從而影響ADC正常工作。但是應(yīng)當(dāng)使模擬地在芯片下面運(yùn)行，因?yàn)檫@樣能減少數(shù)字噪聲的耦合。MAX1403的電源引腳輸入線應(yīng)盡可能寬，以提供一個(gè)低阻抗通道，從而降低電源線上脈沖的影響。

由于MAX1403是高分辨率的ADC，因而電源的耦合電路尤為重要。因此在印制電路板設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對所有的模擬電源輸入都加一級去耦電路，即用10μF鋰電容和0.1μF陶瓷電容并聯(lián)到地。而這些卻耦電路的元件應(yīng)盡可能靠近芯片的電源引腳，這樣才能獲得更好的去耦效果和消除因引線過線而帶來的干擾。