高性能∑-ΔADC的原理及應用

摘要：MAX1403是美國MAXIM公司生產(chǎn)的一種高性能ADC芯片，可用于數字化的前端處理以及溫度測量和變換，并可與單片機方便地連接。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)、結構和應用電路。最后指出了MAX1403在裝接及電路板設計方面應注意的問(wèn)題。

1 概述

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

MAX1403能夠提供具有獨立編程（增益從1V/V～+128V/V）的三路真差動(dòng)輸入通道，并能補償輸入參數電壓的直流失調。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，它能對增益和失調誤差進(jìn)行校正。

MAX1403能夠對所有輸入信號進(jìn)行處理，并通過(guò)串行數字接口向外提供轉換結果。當主機時(shí)鐘頻率為2.4576MHz或1.024MHz時(shí)，片內數字濾波器能夠對線(xiàn)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(wú)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；

●模擬電源和數字電源采用獨立供電方式；

●可用軟件控制增益和失調。

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CS為低電平時(shí)，允許芯片工作在三線(xiàn)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：復位輸入引腳。低電平有效。當RESET為低電平時(shí)，能使控制邏輯、接口邏輯、數字濾波器和模擬調制器在上電后復位；RESET為高電平時(shí)，退出復位。

DS1：輔助數字輸入位1的數字輸入引腳；

DS0：輔助數據輸入位0的數字輸入引腳；

OUT2：傳感器激勵電流源2；

OUT1：傳感器激勵電流源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-：增益校正負輸入引腳；

CALGAIN+：增益校正正輸入引腳；

REFIN-：差動(dòng)參考負輸入引腳；

REFIN+：差動(dòng)參考正輸入引腳；

CALOFF-：失調校正負輸入引腳；

CALOFF+：失調校正正輸入引腳；

DGND：數字地引腳。為數字電路參考點(diǎn)；

VDD：數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：串行數據輸出引腳；

DIN：串行數據輸入引腳；

SCLK：串行時(shí)鐘輸入引腳；

3 內部結構

MAX1403的內部功能結構圖如圖2所示。從圖中可以看出，該芯片由一個(gè)開(kāi)關(guān)結構、一個(gè)調制器、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)數字濾波器、一個(gè)振蕩器、兩個(gè)匹配的傳感器激勵電流源和一個(gè)雙向串行通訊接口組成。

4 主要參數

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

4.1 工作參數

MAX1403的推薦工作參數如下：

●模擬電源電壓（V+）：2.7V～3.6V；

●數字電源電壓（VDD）：2.7V～3.6V；

●參考電壓：1.25V；

●時(shí)鐘頻率：2.4576MHz；

●無(wú)漏碼精度：16位；

●模擬輸入電壓：（VAGND-30mV）～（V++30mV）；

●數字輸入電壓：0.4V～2V；

●數字輸出電壓：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

下面是MAX1403 ADC芯片的極限參數。

●模擬電源電壓（V+）：-0.3V～+6V；

●數字電源電壓（VDD）：-0.3V～+6V；

●模擬地與數字地間的電壓：-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）；

●所有數字輸出電壓：-0.3V～（VDD+0.3V）；

●所有其它數字輸入電壓：-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(chēng)和壓力傳感器）和串行接口的單片機系統中頗受歡迎，下面給出幾個(gè)主要的應用電路。

5.1 RTD應用電路

由MAX1403和少量外圍元件組成的3線(xiàn)RTD實(shí)用線(xiàn)路如圖3所示。圖中的兩個(gè)電流源（200μA）是經(jīng)過(guò)嚴格匹配的，其目的是為了補償3線(xiàn)RTD線(xiàn)路中的誤差。在3線(xiàn)RTD電路中，如果只作用一個(gè)電流源，那么引線(xiàn)電阻將會(huì )對系統產(chǎn)生誤差，此時(shí)200μA電流通過(guò)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(xiàn)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，這樣設置能保證ADC獲得更精確的比率結果。

4線(xiàn)RTD應用電路如圖4所示。該圖與3線(xiàn)RTD線(xiàn)路唯一的區別是測量輸入端AIN1和AIN2沒(méi)有引線(xiàn)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)參考電壓供調制器使用。在4線(xiàn)RTD應用電路中，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)行補償，從而使輸入端AIN1和AIN2的誤差電壓達到零。

5.2 與單片機的接口電路

由MAX1403和單片機68HC11組成的接口實(shí)際線(xiàn)路如圖5所示。從圖5中可以看出，該接口電路非常簡(jiǎn)單，是花綱單片機I/O口較少的一種。當單片機具有一個(gè)硬件SPI（串行外設接口）時(shí)，就能使用三線(xiàn)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)引腳上移入數據，而在另一個(gè)引腳上移出數據。

為了獲得最佳效果，可使用一個(gè)硬件中斷來(lái)監視INT引腳和采集新數據（硬件中斷有效時(shí)）。如果硬件中斷無(wú)效或中斷執行時(shí)間比選擇轉換速率時(shí)間長(cháng)，可使用SYNC位來(lái)防止測量時(shí)從數據輸出寄存器中讀出數據。

MAX1403的另一種接口電路如圖6所示。從圖中看出，該接口電路所耗費的單片機I/O口更少，線(xiàn)路更簡(jiǎn)潔。全體單片機的I/O引腳均可與MAX1403接口。如果一個(gè)雙向中開(kāi)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。要使用MAX1403三線(xiàn)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，因為MAX1403本身消耗電流為250μA（0.25mA）。

6 印刷電路板和元件裝接中的問(wèn)題

為了使ADC獲得最佳的性能，必須使用模擬地和數字地分開(kāi)的印刷電路板。在印刷電路板的設計中，特別要注意地線(xiàn)的布置。通常把模擬地和數字地獨立設置在各自電路中，然后把模擬地和連到一點(diǎn)（星號標志）。如果系統中只有一片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)應盡量靠近MAX1403的星形地。

數字地嚴禁設計在芯片下面，因為這樣會(huì )把噪聲耦合給芯片，從而影響ADC正常工作。但是應當使模擬地在芯片下面運行，因為這樣能減少數字噪聲的耦合。MAX1403的電源引腳輸入線(xiàn)應盡可能寬，以提供一個(gè)低阻抗通道，從而降低電源線(xiàn)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計時(shí)，應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(xiàn)過(guò)線(xiàn)而帶來(lái)的干擾。