降低設計復雜度并減少設計時(shí)間的ΔΣ ADC電路

采用Easy Drive技術(shù)的增量累加(Δ-Σ)模數轉換器(ADC)不僅功能豐富，而且易于使用。Easy Drive功能簡(jiǎn)化或免除了輸入端的有源放大或濾波電路，軟件接口也比其它類(lèi)型的ADC簡(jiǎn)單得多。它消除了傳統ADC應用設計的復雜性(例如需要外部器件和軟件)，可大幅節省設計時(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(mǎn)足中間要求或者用在需要適應多種輸入范圍的場(chǎng)合。

簡(jiǎn)化高阻抗傳感器測量電路

Δ-Σ ADC具有很高的準確度和防噪性能，非常適合于直接測量多種類(lèi)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、微功率信號調節電路。Easy Drive技術(shù)通過(guò)平衡輸入電流解決了這個(gè)問(wèn)題，可簡(jiǎn)化信號調節電路或消除對信號調節電路的需要。

表1：完整的Easy Drive Δ-Σ ADC系列。

Δ-Σ ADC的一種常見(jiàn)應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)等值基準電阻器，把輸入共模電壓設置成與基準共模電壓相等，并使差分輸入源電阻平衡。如果基準電阻器R1和R4完全相等，則輸入電流為零，不會(huì )導致誤差。如果這些電阻具有1%的容差，則共模電壓偏移大盤(pán)導致的測量電阻誤差最大為1.6Ω，遠遠低于基準電阻器自身的1%誤差。由于無(wú)需使用放大器，所以這是微功率應用中的一個(gè)理想解決方案。

圖1：Easy Drive ADC簡(jiǎn)化了高阻抗傳感器的測量電路。

Easy Drive技術(shù)允許用低功率、低帶寬放大器驅動(dòng)LTC2492的輸入。如圖1所示，CH2是由LT1494驅動(dòng)的。對于一個(gè)具有1.5μA電源電流的放大器來(lái)說(shuō)，LT1494擁有優(yōu)秀的直流參數，可提供150μV最大偏移電壓和100,000開(kāi)環(huán)增益。不過(guò)，LT1494的帶寬只有2kHz，不適合驅動(dòng)傳統的Δ-Σ ADC。增加一個(gè)R=1kΩ、C=0.1μF的濾波器可以解決這一問(wèn)題，這個(gè)濾波器構成了為L(cháng)TC2492提供瞬時(shí)電流的電荷儲存器，與此同時(shí)1kΩ電阻把容性負載與LT1494隔離開(kāi)。這時(shí)由于外部RC網(wǎng)絡(luò )不完全穩定，傳統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(guò)采用R=1kΩ、C=0.1μF的RC網(wǎng)絡(luò )來(lái)平衡負輸入(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(dòng)消除。

完整的Easy Drive Δ-Σ ADC系列

Easy Drive ADC已被廣泛用在許多應用中。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據采集系統，它能直接對熱電偶進(jìn)行數字化處理而無(wú)需任何信號調節電路，并提供冷結點(diǎn)補償。它還能直接測量低電平應變儀輸出，而且通過(guò)增加一個(gè)簡(jiǎn)單的阻性分壓器(無(wú)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16項以地為參考電位的測量。只要分路共模電壓低于或等于A(yíng)DC的電源電壓，那么采用差分輸入(多達8個(gè)差分輸入通道)就可以實(shí)現電流分路的高壓側檢測。差分測量還允許對電壓進(jìn)行遠端采樣，從而消除大接地電流所產(chǎn)生的誤差。

圖3：SPI接口、配置和數據輸出時(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(kāi)關(guān)瞬變有很強的抑制作用。ADC的內部SINC4濾波器(連同ADC輸入端上一個(gè)簡(jiǎn)單的單極點(diǎn)濾波器)足以把開(kāi)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確DC測量值。

單通道LTC2482非常適用于便攜式醫療設備和消費類(lèi)產(chǎn)品等成本敏感型應用。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轉換序列。

外部緩沖器/放大器的自動(dòng)偏移校準

除了Easy Drive輸入電流抵消功能外，16位Easy Drive ADC還允許在復用器輸出和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)轉換周期中執行一次內部偏移校準，旨在消除ADC的偏移和漂移。這種校準是通過(guò)前端開(kāi)關(guān)和數字處理的組合來(lái)完成的。由于外部放大器位于復用器和ADC之間，所以它正好處于校正環(huán)路之內，可以自動(dòng)消除外部放大器的偏移和偏移漂移。

圖5：I2C配置和數據輸出時(shí)序圖。

LTC6078是實(shí)現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載與運算放大器輸出，以保持穩定的工作狀態(tài)。

軟件接口

凌力爾特的Easy Drive ADC對模擬接口的要求很簡(jiǎn)單，這與它們對串行接口要求也很簡(jiǎn)單性相匹配。無(wú)延遲架構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的煩惱。轉換的啟動(dòng)直接由串行接口控制，因此可以在正確的時(shí)間點(diǎn)上接入外部信號調節電路或傳感器激勵電路。在每個(gè)轉換周期中固有的隱式偏移和增益校準功能免除了對復雜內部寄存器組或校準周期的需要。SPI和I2C接口器件的通信均為一種簡(jiǎn)單的讀/寫(xiě)操作。在該操作中，當下一個(gè)通道的配置被編程并寫(xiě)入ADC時(shí)，來(lái)自某個(gè)轉換周期的數據將被讀出。

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。

圖3顯示了LTC2498的數據輸入/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的數據輸入/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(xiě)入輸入寄存器的細節。

盡管Easy Drive串行接口易于編程(只需讀出用于樣本N的數據并設置用于樣本N+1的通道)，但是，當通過(guò)調試程序來(lái)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(zhù)降低代碼設計難題的硬件方法。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。當采用圖中給出的器件參數時(shí)，CH0具有101mV電壓，CH1具有202mV電壓，依此類(lèi)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。

LTC2448和LTC2449基本通信的C代碼驅動(dòng)程序。

LTC2448和LTC2449基本通信的C代碼驅動(dòng)程序。