《電子技術(shù)應(yīng)用》
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高性能∑-Δ ADC的原理及應(yīng)用
摘要: 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。
Abstract:
Key words :
</a>ADC" title="ADC">ADC" title="ADC">ADC芯片,,它利用∑-Δ調(diào)制器和數(shù)字濾流器可實現(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能夠提供具有獨立編程(增益從1V/V~+128V/V)的三路真差動輸入通道,,并能補償輸入?yún)?shù)電壓的直流失調(diào)。而這三路真差動輸入通道還能組成五路偽差動輸入通道,。另外,,該芯片還具有兩個附加的差動校正通道,它能對增益和失調(diào)誤差進行校正,。

  MAX1403 能夠?qū)λ休斎胄盘栠M行處理,,并通過串行數(shù)字接口向外提供轉(zhuǎn)換結(jié)果。當主機時鐘頻率為2.4576MHz或1.024MHz時,,片內(nèi)數(shù)字濾波器能夠?qū)€路頻率和有關(guān)諧波頻率進行處理,,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,,這也有助于提高輸出端數(shù)字信號的質(zhì)量。 

MAX1403引腳圖

       MAX1403的主要特點如下:

  ●分辨率為18位,;

 

  ●具有8個寄存器,;

  ●功耗低

  ●具有兩個匹配的傳感器激勵電流源

  ●3個真差動輸入或5個偽差動輸入通道,;

  ●2個附加輸入校正通道,;

  ●帶有一個雙向串行通訊接口;

  ●模擬電源和數(shù)字電源采用獨立供電方式,;

  ●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:時鐘輸入引腳,;

  CLKOUT:時鐘輸出引腳。使用外部晶振時,,將外部晶振連在CLKIN和CLKOUT之間,;當使用外部其它時鐘信號時,其時鐘信號(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,,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器件或作為幀同步信號,。

  RESET:復(fù)位輸入引腳,。低電平有效。當RESET為低電平時,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,,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,;

  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-:差動參考負輸入引腳,;

  REFIN+:差動參考正輸入引腳;

  CALOFF-:失調(diào)校正負輸入引腳,;

  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,;

  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:串行時鐘輸入引腳,;  

     MAX1403內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)圖

      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,該芯片由一個開關(guān)結(jié)構(gòu),、一個調(diào)制器,、一個PGA(可編程增益放大器)、兩個緩沖器,、一個DAC,、一個數(shù)字濾波器、一個振蕩器,、兩個匹配的傳感器激勵電流源和一個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;

  ●時鐘輸入和時鐘輸出電壓:-0.3V~(VDD+0.3V),;

  ●功耗:50mW,。

  5 應(yīng)用電路

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

  5.1 RTD應(yīng)用電路

3線RTD應(yīng)用電路

  由MAX1403 和少量外圍元件組成的3線RTD實用線路如圖3所示。圖中的兩個電流源(200μA)是經(jīng)過嚴格匹配的,,其目的是為了補

 

償3線RTD線路中的誤差,。在3線 RTD電路中,如果只作用一個電流源,,那么引線電阻將會對系統(tǒng)產(chǎn)生誤差,,此時200μA電流通過RL1將產(chǎn)生一個誤差電壓并加到PGA的兩上輸入端(AIN1和AIN2)。如果再使用另一個大小和前一個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

  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提供一個激勵電流,,而電流源 OUT2提供的電流,,在電阻RREF可產(chǎn)生一個參考電壓供調(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

MAX1403和68HC11接口電路

  由MAX1403 和單片機68HC11組成的接口實際線路如圖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I/O口較少的一種,。當單片機具有一個硬件 SPI(串行外設(shè)接口)時,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個脈沖就能在一個引腳上移入數(shù)據(jù),而在另一個引腳上移出數(shù)據(jù),。

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

MAX1403和8051接口電路

  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,,線路更簡潔。全體單片機的I/O引腳均可與MAX1403接口,。如果一個雙向中開漏I/O引腳有效,,即可把DOUT和DIN相連,從而進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

4-20mA復(fù)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)計中,特別要注意地線的布置,。通常把模擬地和數(shù)字地獨立設(shè)置在各自電路中,然后把模擬地和連到一點(星號標志),。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,,爾后連到一個公共點,而這個公共點應(yīng)盡量靠近MAX1403的星形地,。    數(shù)字地嚴禁設(shè)計在芯片下面,,因為這樣會把噪聲耦合給芯片,從而影響ADC正常工作,。但是應(yīng)當使模擬地在芯片下面運行,,因為這樣能減少數(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 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)計時,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,。

 

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