18位高精密D-S A/D轉換器MCP3421及其應用

　　概述

　　在工業(yè)自動(dòng)化控制以及測試、測量系統中都需要利用A/D轉換器將外部物理量轉換成數字量。D-S ADC與傳統的逐次逼近型和積分型ADC相比，具有轉換無(wú)償小、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，常被用來(lái)測量低速、轉換精度要求高的傳感器信號。

　　Microchip公司的MCP3421與其它A/D轉換器相比，特點(diǎn)主要表現在：全差分輸入；18位分辨率；精密的連續自校準功能；可選擇3.75、15、60或240SPS采樣速率進(jìn)行轉換；可工作在連續轉換或單次轉換模式，在單次轉換后的空閑期內自動(dòng)進(jìn)入待機模式，極大地減小了電流消耗；內部集成2.048V±0.05%精度，且溫度漂移僅為5ppm/℃的基準電壓源；可編程增益放大器(PGA)提供1/2/4/8倍增益，允許測量極小的信號并且具有很高的分辨率；內部集成振蕩器電路并提供I2C串行接口等。
　　
　　MCP3421封裝形式與結構

　　MCP3421是Microchip公司D-S A/D轉換器系列的一款18位分辨率器件，它采用SOT23-6封裝，圖1(a)為MCP342封裝和引腳分布，圖1(b)為其內部功能框圖。MCP342內部采用了Microchip專(zhuān)利的差分開(kāi)關(guān)電容D-S轉換及數字濾波技術(shù)，專(zhuān)為需要高分辨率和低功耗的應用而設計，在這種應用中，空間和低功耗是設計的首要考慮因素。MCP3421可在2.7V至5.5V單電源下電壓工作，并消耗很低的電流，在VDD=3V、單次轉換、1SPS條件下，電流消耗僅為39uA(典型值)。


　　
　　MCP3421的工作原理

　　MCP3421為一個(gè)全差分、18位分辨率具自校正功能的D-S A/D轉換器，內部包括D-S轉換器、可編程增益放大器、時(shí)鐘發(fā)生器和I2C接口，以及2.048V電壓基準源五大部分(參考圖１(b))。MCP3421設計簡(jiǎn)單、極易配置，允許設計工程師通過(guò)最小配置獲得精確的測量結果。

　　D-S轉換器

　　MCP3421 D-S A/D轉換器采用Microchip專(zhuān)利的差分開(kāi)關(guān)電容D-S轉換及數字濾波技術(shù)，包括一個(gè)差分開(kāi)關(guān)電容D-S調制器和一個(gè)數字濾波器。調制器測量差分模擬輸入電壓(經(jīng)內部PGA放大)，并將其與內部電壓基準相比較。MCP3421內部集成了2.048V電壓基準。數字濾波器從調制器接收到高速數據流，經(jīng)數字濾波器處理后輸出一個(gè)數字代碼。MCP3421輸出的數字代碼是PGA增益、輸入信號和內部電壓基準的函數。在固定配置下，輸出數字代碼與兩個(gè)模擬輸入引腳間的電壓差成正比。輸出代碼限定在一定的數目范圍內，該范圍取決于代表輸出碼所需的位數，同時(shí)也與采用的轉換速率有關(guān)，如表1所示。

　　MCP3421輸出代碼采用二進(jìn)制補碼的形式，最大的n位代碼為，而最小的n位代碼為。MCP3421輸出的所有代碼均右對齊，并且經(jīng)過(guò)符號擴展。 表2 為不同轉換模式下輸出代碼的格式：

　　時(shí)鐘振蕩器

　　MCP3421內部包括時(shí)鐘振蕩器，該時(shí)鐘電路驅動(dòng)D-S調制器和數字濾波器工作。用戶(hù)可通過(guò)設置配置寄存器來(lái)選擇MCP3421的采樣速率為3.75、15、60或240SPS。MCP3421不能采用外部調制器輸入時(shí)鐘。

　　自校準

　　MCP3421集成了自校準電路。自校準系統連續工作并不要用戶(hù)干涉。MCP3421在每次轉換時(shí)進(jìn)行失調電壓和增益的自校準。這樣在溫度和電源電壓變化時(shí)仍可提供可靠的轉換結果。

　　I2C串行接口

　　MCP3421通過(guò)I2C串行接口與主機進(jìn)行通信。MCP3421只能作為從器件，并提供8個(gè)可選I2C地址。MCP3421的I2C接口支持標準(100Kbits/sec),快速(400Kbits/sec)，高速(3.4Mbits/sec)三種模式，并于I2C總線(xiàn)協(xié)議完全兼容。

　　用戶(hù)可通過(guò)I2C接口讀/寫(xiě)MCP3421內的配置寄存器，進(jìn)而改變器件的工作模式并查詢(xún)器件的工作狀態(tài)。同時(shí)，I2C接口也用于讀取轉換后的數據代碼。圖2為設置配置寄存器的時(shí)序圖。圖3為18位模式下從MCP3421讀取轉換數據的時(shí)序圖。

　　MCP3421的應用

　　MCP3421可廣泛應用于各種需要低功耗和高精度A/D轉換器的系統中，例如，基于熱電偶或熱電阻的溫度測量；壓力或流量的測量。MCP3421在這些應用電路中連接非常簡(jiǎn)單。以下部分簡(jiǎn)單介紹MCP3421的應用和連接。

　　與單片機的連接

　　MCP3421與具有I2C接口的單片機的連接方式非常簡(jiǎn)單。如圖4所示的單片機測量系統中，MCP3421與其它器件(EEPROM、溫度傳感器)等共享I2C總線(xiàn)，并可以標準、快速或高速三種模式與單片機進(jìn)行通信。由于I2C總線(xiàn)是一種漏極開(kāi)路驅動(dòng)，所以SCL和SDA線(xiàn)都需要上拉電阻。上拉電阻的大小取決于總線(xiàn)的工作速率和總線(xiàn)電容。

　　輸入端連接

　　MCP3421提供全差分輸入。外部輸入信號可連接到VIN+和VIN-輸入引腳。差分輸入電壓VIN(=VIN+-VIN-)被PGA放大后經(jīng)D-S調制器轉換成數字代碼。MCP3421的輸入引腳不能連接負輸入電壓。MCP3421差分輸入和單端輸入的連接如圖5 所示。在單端輸入時(shí)，VIN-引腳連接到地，此時(shí)輸入信號范圍為0V至2.048V。

　　MCP3421與熱電偶連接

　　MCP3421可以與各種不同的傳感器進(jìn)行接口。圖6為熱電偶溫度變送器的系統框圖。由于MCP3421內部具有最大達8倍的PGA增益和2.048V的電壓基準，因而可以直接與K型等熱電偶連接。溫度補償通過(guò)采用外部的數字溫度傳感器(圖中為MCP9800)來(lái)實(shí)現。MCP321轉換后的數據和溫度傳感器檢測到的溫度值經(jīng)單片機計算和線(xiàn)性化處理后，以電壓或4-20mA電流環(huán)的方式傳送到其它控制系統。

　　在PGA增益=8和選擇18位分辨率時(shí)，，完全可滿(mǎn)足毫伏(mV)級電壓輸出的熱電偶溫度測量要求。利用高分辨率和低功耗的MCP3421 A/D轉換器和Microchip的單片機、溫度傳感器、D/A轉換器很容易地實(shí)現完整溫度變送器電路設計。
　　
　　結語(yǔ)

　　D-S A/D轉換器適合于高分辨力、低功耗的測量系統應用。MCP3421作為一款18位分辨率、高集成度、小型封裝的D-S A/D轉換器，可以應用于溫度、壓力、流量等工業(yè)控制，以及測試/測量的應用中。簡(jiǎn)單、靈活的電路設計可以大大提高測量的精度和穩定性，并降低硬件成本，提高產(chǎn)品的性?xún)r(jià)比。

　　參考文獻：

　　1.  Microchip Technology.18-Bit Analog-to-Digital Converter with  I2C Interface and On-Board Reference. DS22003B

　　2.  Microchip Technology.MCP3421 SOT-23-6 Evaluation Board User誷 Guide.