降低设计复杂度并减少设计时间的ADC电路

发布时间：2020-07-21 17:43:43 阅读：次来源：节温器厂家

采用Easy Drive技术的增量累加(Δ-Σ)模数转换器(ADC)不仅功能丰富，而且易于使用。Easy Drive功能简化或免除了输入端的有源放大或滤波电路，软件接口也比其它类型的ADC简单得多。它消除了传统ADC应用设计的复杂性(例如需要外部器件和软件)，可大幅节省设计时间。

表1给出了18款可供货的Easy Drive器件的特点，包括具有I2C或SPI接口的单通道、4通道或16通道版本。24位器件适合非常高性能的应用，而16位器件的通用性更好。在16位器件上还提供一个可编程增益放大器(PGA)，以满足中间要求或者用在需要适应多种输入范围的场合。

简化高阻抗传感器测量电路

Δ-Σ ADC具有很高的准确度和防噪性能，非常适合于直接测量多种类型的传感器。然而，它的输入采样电流要求高源阻抗或低带宽、微功率信号调节电路。Easy Drive技术通过平衡输入电流解决了这个问题，可简化信号调节电路或消除对信号调节电路的需要。

表1：完整的Easy Drive Δ-Σ ADC系列。

Δ-Σ ADC的一种常见应用是热敏电阻的测量。图1给出了两种受益于Easy Drive技术的热敏电阻数字化测量实例。第一种电路(施加至输入通道CH0和CH1)采用两个等值基准电阻器，把输入共模电压设置成与基准共模电压相等，并使差分输入源电阻平衡。如果基准电阻器R1和R4完全相等，则输入电流为零，不会导致误差。如果这些电阻具有1%的容差，则共模电压偏移大盘导致的测量电阻误差最大为1.6Ω，远远低于基准电阻器自身的1%误差。由于无需使用放大器，所以这是微功率应用中的一个理想解决方案。

图1：Easy Drive ADC简化了高阻抗传感器的测量电路。

Easy Drive技术允许用低功率、低带宽放大器驱动LTC2492的输入。如图1所示，CH2是由LT1494驱动的。对于一个具有1.5μA电源电流的放大器来说，LT1494拥有优秀的直流参数，可提供150μV最大偏移电压和100,000开环增益。不过，LT1494的带宽只有2kHz，不适合驱动传统的Δ-Σ ADC。增加一个R=1kΩ、C=0.1μF的滤波器可以解决这一问题，这个滤波器构成了为LTC2492提供瞬时电流的电荷储存器，与此同时1kΩ电阻把容性负载与LT1494隔离开。这时由于外部RC网络不完全稳定，传统Δ-Σ ADC的输入采样电流产生直流误差。凌力尔特的Easy Drive技术抵消了差分输入电流。通过采用R=1kΩ、C=0.1μF的RC网络来平衡负输入(CH3)，共模输入电流所致的误差将被消除。

图2：在这个电路中，外部缓冲器提供高阻抗输入，放大器的偏移被自动消除。

完整的Easy Drive Δ-Σ ADC系列

Easy Drive ADC已被广泛用在许多应用中。带有集成温度传感器的24位、16通道LTC2498非常适用于高性能数据采集系统，它能直接对热电偶进行数字化处理而无需任何信号调节电路，并提供冷结点补偿。它还能直接测量低电平应变仪输出，而且通过增加一个简单的阻性分压器(无需有源电路)就可以测量工业传感器电压。

16位、16通道器件适用于在具有多个大电流电源的大型电路板上测量电压和电流。如果COM引脚被接至一个公共接地点，则可进行多达16项以地为参考电位的测量。只要分路共模电压低于或等于ADC的电源电压，那么采用差分输入(多达8个差分输入通道)就可以实现电流分路的高压侧检测。差分测量还允许对电压进行远端采样，从而消除大接地电流所产生的误差。

图3：SPI接口、配置和数据输出时序图。

用Δ-Σ ADC测量电源电压的另一个重要优点是它对噪声和开关瞬变有很强的抑制作用。ADC的内部SINC4滤波器(连同ADC输入端上一个简单的单极点滤波器)足以把开关电源噪声衰减到ADC噪声基底以下，这样就可以得到电源电压或电流的准确DC测量值。

单通道LTC2482非常适用于便携式医疗设备和消费类产品等成本敏感型应用。虽然它的成本相对较低，但它实质上是一款高性能的16位ADC，输入噪声基底与24位器件相同，仅有600nV。

图4：I2C转换序列。

外部缓冲器/放大器的自动偏移校准

除了Easy Drive输入电流抵消功能外，16位Easy Drive ADC还允许在复用器输出和ADC输入之间放置一个外部放大器(图2)。在那些不可能有平衡源阻抗或源阻抗非常高的应用中，这非常有用。全部的17个模拟输入可以共用一对外部缓冲器/放大器。LTC2498在每个转换周期中执行一次内部偏移校准，旨在消除ADC的偏移和漂移。这种校准是通过前端开关和数字处理的组合来完成的。由于外部放大器位于复用器和ADC之间，所以它正好处于校正环路之内，可以自动消除外部放大器的偏移和偏移漂移。

图5：I2C配置和数据输出时序图。

LTC6078是实现这种功能的理想放大器。它的工作电压低至2.7V，且电压噪声电平也很低，仅18nV/√Hz。LTC2498的Easy Drive输入允许把RC网络直接放在LTC6078的输出端。该电容可减小ADC输入端的电流尖峰，而电阻则隔离电容负载与运算放大器输出，以保持稳定的工作状态。

软件接口

凌力尔特的Easy Drive ADC对模拟接口的要求很简单，这与它们对串行接口要求也很简单性相匹配。无延迟架构消除了在多通道器件上进行通道切换之后必须删除读数的烦恼。转换的启动直接由串行接口控制，因此可以在正确的时间点上接入外部信号调节电路或传感器激励电路。在每个转换周期中固有的隐式偏移和增益校准功能免除了对复杂内部寄存器组或校准周期的需要。SPI和I2C接口器件的通信均为一种简单的读/写操作。在该操作中，当下一个通道的配置被编程并写入ADC时，来自某个转换周期的数据将被读出。

图6：采用这种电路可迅速选出哪个SDI字与每个输入通道相对应。

图3显示了LTC2498的数据输入/输出操作。这是通道和功能最多的带SPI接口的ADC，其它SPI器件具有相似接口。图4是LTC2499的数据输入/输出操作。它也是拥有最多功能的I2C器件，其它I2C器件具有相似的接口。图5给出了将通道和配置写入输入寄存器的细节。

尽管Easy Drive串行接口易于编程(只需读出用于样本N的数据并设置用于样本N+1的通道)，但是，当通过调试程序来检查某个微控制器的寄存器时，想弄清楚刚刚读出的是什么信息仍颇为棘手。下面介绍一种能显著降低代码设计难题的硬件方法。在图6电路中，每个单端输入上都施加了一个已知电压。当采用图中给出的器件参数时，CH0具有101mV电压，CH1具有202mV电压，依此类推，直到CH15(它具有1.616V电压)。图7是用于差分输入的等效电路。采用这种电路方案，可迅速选出哪个SDI字与每个输入通道相对应。

LTC2448和LTC2449基本通信的C代码驱动程序。