八通道24位微功耗無延時△-∑模數(shù)轉(zhuǎn)換LTC2408

摘要：LTC2408是美國LINEAR公司開發(fā)的具有低噪聲、低協(xié)耗、高速度等特性的△-∑模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它可直接接收來自傳感器的輸入信號，適合于測量大動態(tài)范圍的低柴頻信號，可廣泛應(yīng)用于壓力測量、直接溫度測量、氣體分析等領(lǐng)域。文中介紹了LTC2408的工作原理及應(yīng)用電路。

1 概述

LTC2408是美國LINEAR公司開發(fā)的具有低噪聲、低功耗、高速度等特性的△-∑模數(shù)轉(zhuǎn)換器、采用△-∑技術(shù)使其進一步減小了噪聲環(huán)境的影響，從而成為工業(yè)和過程控制應(yīng)用中的理想選擇。此外，在系統(tǒng)中采用LTC2408能使系統(tǒng)設(shè)計者獲得很高的分辨率，因為LTC2408的噪聲性能比積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器更好得多。它可直接接收來自傳感器的輸入信號，適合于測量大動態(tài)范圍的低頻信號，可廣泛應(yīng)用壓力測量、直接溫度測量、氣體分析等領(lǐng)域。LTC2408的4線串行接口兼容于SPI和MICROWIRETM標(biāo)準(zhǔn)，易于與微處理器或數(shù)字信號處理器接口，可廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和可編程邏輯控制系統(tǒng)。

LTC2408具有如下特性：

●內(nèi)含24位分辨率的ADC與8個模擬輸入通道的多路器；

●具有單個時鐘周期的建立時間，可簡化多路轉(zhuǎn)換器操作；

●非線性誤差為4PPM，無誤碼；

●滿量程誤差為4PPM；

●失調(diào)為0.5PPM；

●0.3PPM噪音；

●內(nèi)帶振蕩器，不需任何外部時鐘元件；

●50Hz/60Hz的陷波器，最小衰減110dB；

●參考輸入電壓范圍為0.1～Vcc；

●活動的零點電平可將輸入電壓范圍擴大到-12.5%VREF～112.5%VREF）；

●采用2.7V～5.5V單電源工作

●具有低電源電流（20μA）和自動關(guān)閉模式。

2 工作原理與封裝

LTC2408的內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能框圖如圖1所示，它內(nèi)含8個模擬通道的MUX以及△-∑ADC和時鐘振蕩器，因而無須外接時鐘元件。其模擬通道改變后的第一次轉(zhuǎn)換即可有效。通過LTC2408對引腳的設(shè)置，可在50Hz或60Hz+2%的頻率上形成陷波，衰減可達110dB。在采用外部振蕩器驅(qū)動時可使陷波頻率在1Hz至120Hz范圍內(nèi)選擇。

LTC2408的參考輸入電壓為0.1V～Vcc。由于LTC2408可將輸入范圍擴大到-12.5%VREF～112.5%VREF，所以它能很好地消除由前置傳感器或信號調(diào)節(jié)電路引起的偏置和超量程問題。

LTC2408采用28腳塑料SSOP封裝，其引腳排列如圖2所示。各引腳功能如下：

GND（引腳1，5，16，18，22，27，28）：地。模擬電路、數(shù)字電路和參考電壓使用共同的參考地。必須通過最短引線直接與地平面相或單點接地。

Vcc（引腳2，8）：正電源。Vcc與GND之間應(yīng)用10μF的固態(tài)鉭電容和0.1μF的陶瓷電容并聯(lián)進行旁路。且電容引線應(yīng)盡量短。

VREF(引腳3)參考電壓輸入端。參考電壓范圍為0.1V～Vcc。

ADCIN（引腳4）：模擬輸入端。模擬輸入電壓范圍為-0.125VREF～1.125VREF。若VREF>2.5V，則輸入的模擬電壓需限制在引腳允許的輸入電壓范圍（-0.3V至Vcc+0.3V）內(nèi)。

COM（引腳6）：信號電壓的參考地。該端必須通過最短引線直接與地平面相連。

MUXOUT（引腳7）：MUX的輸出電壓端，是多路轉(zhuǎn)換器的輸出電壓引腳。正常工作時與ADCIN相連。

CH0～7（引腳9～15和17）：多路轉(zhuǎn)換器的模擬輸入通道0～7。

CLK，SCK（引腳19，25）：轉(zhuǎn)換時鐘輸入端。用于對系列數(shù)據(jù)同步傳輸給MUX和ADC的狀態(tài)進行控制。在ADC的信號由高電平降為低電平時，此信號必須為低電平。

CS MUX（引腳20）：MUX的片選輸入端。CS MUX為高電平時，MUX接收一個模擬通道的地址，為低電平時，對MUX進行選通，并使被選通道與MUXOUT相連，同時對該通道的信號進行A/D轉(zhuǎn)換。在通常情況下，把CS MUX和CS ADC并聯(lián)在一起同時驅(qū)動。

DIN（引腳21）：數(shù)字信號輸入端。從DIN輸入多路轉(zhuǎn)換器的地址。

CS ADC（引腳23）：數(shù)字輸入端，低電平有效。當(dāng)CS ADC為低電平時，SDO輸出數(shù)據(jù)；反之，SDO不輸出數(shù)據(jù)。隨著每一次轉(zhuǎn)換結(jié)束，ADC自動進入睡眼方式。只要CS是高電平，ADC就一直保持這種低功耗狀態(tài)。CS只有在低電平時才能喚醒ADC。當(dāng)CS由低電平上升為高電平時，中止寫操作作并開始一次新的轉(zhuǎn)換。

SDO（引腳24）：三態(tài)數(shù)據(jù)輸出端，在寫操作期間進行系列數(shù)據(jù)輸出。當(dāng)片選CS為高電平時（CS=Vcc），SDO處于高阻態(tài)。當(dāng)ADC處于轉(zhuǎn)換和睡眼期間時，SDO可作為轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出端，使CS下降為低電平即可讀出轉(zhuǎn)換狀態(tài)。

F0(引腳26)：數(shù)字輸入端，用于控制ADC的陷波器的中心頻率和轉(zhuǎn)換時間。當(dāng)F0與Vcc相連時（F0=Vcc），轉(zhuǎn)換器使用內(nèi)部時鐘振蕩器且數(shù)字濾波器的第一個零點為50Hz。當(dāng)F0與FND相連時（F00V），轉(zhuǎn)換器中數(shù)字濾波器的每個零點為60Hz。當(dāng)采用頻率為fEOSC的外部時鐘信號驅(qū)動R0時，轉(zhuǎn)換器使用此信號作為它的時鐘信號，且數(shù)字濾波器的第一個零點為fEOSC/2560Hz。

3 應(yīng)用設(shè)計

圖3為典型的轉(zhuǎn)換時序圖。如果CS與CS ADC和CS MUX相連，那么，在對MUX選通時呈高電平。CLK傳輸數(shù)據(jù)給MUX，作為模擬通道選擇的依據(jù)。在CLK的上升沿，數(shù)據(jù)通過DIN進行傳輸。不同的數(shù)字對應(yīng)不同的模擬通道，其真值表如表1所列。在CS下降為低電平且在上一次轉(zhuǎn)換完成之后，多路轉(zhuǎn)換器才能進行寫操作。為了保證先前的轉(zhuǎn)換確已完成，在讀取輸出數(shù)據(jù)之后，應(yīng)至少延時tconv（約為135ms）后多路轉(zhuǎn)換器才進行寫操作，以確保操作正確，在CS的下降沿處，CLK應(yīng)處于低電平。

表1 模擬通道選擇真值表

當(dāng)多路轉(zhuǎn)換器進行寫操作時，ADC處于低功耗的睡眼狀態(tài)。一旦MUX的寫操作完成，上一次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)即中讀取。隨著數(shù)據(jù)讀取完畢，模擬輸入電壓即與新的選擇通道相連，以開始一個新的轉(zhuǎn)換循環(huán)。

在CLK的控制下，數(shù)據(jù)從SDO輸出。數(shù)據(jù)在CLK的上升沿被鎖存。在32個時鐘周期后，SDO變?yōu)楦唠娖?，這意味著一個新的轉(zhuǎn)換又開始了。如果CS還處于低電平，則仍選擇多路轉(zhuǎn)換器上一次的模擬通道。如上近述，在CS上升為高電平并延時tconv后，將數(shù)據(jù)輸入DIN可重新選擇模擬通道。因為LTC2408的建立時間為單個時鐘周期，所以在每一次轉(zhuǎn)換徨后，可以選擇任一次模擬通道。有一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果無延時。不論選擇哪一個模擬通道，每一次轉(zhuǎn)換與上一次轉(zhuǎn)換都是相互獨立的。

4 多物理量的數(shù)字化測量電路

圖4給出了用LTC2408設(shè)計的對自然界的多種物理量進行數(shù)字化測量的多功能測量電路，這兒都使用了單端信號調(diào)理電路。盡管橋式傳感器在高噪音環(huán)境下或離ADC器件有一段距離工作時，使用差動信號輸入方式是較好的方法，然而由于LTC2408具有低功耗性能，允許電路距傳感器極近工作。因此用單端信號調(diào)理輸入可極大地簡化傳感器的輸出方式。在需要使用差動信號時，可用斬波或自校準(zhǔn)電路與LTC2408匹配使用。

在圖4中，通過與通道0相相連的電阻網(wǎng)絡(luò)，LTC2408能夠測量從1mV至1kV的直流電壓且不需要自動量程轉(zhuǎn)換。電阻網(wǎng)絡(luò)中990kΩ電阻的功率應(yīng)為1W，并能在高壓下工作，該電阻也可用一系列價錢較低、功率較小的金屬膜電阻串聯(lián)來代替。

與通道1相連的是LT1793FET輸入運放，在高阻低頻時作為靜電計放大器，可用于測溶液的PH值。該電路的增益為21，輸入信號的范圍是-15nV～250mV。由于高輸出阻抗的傳感器不能直接驅(qū)動電容式開關(guān)ADC，所以電路中必須有放大環(huán)節(jié)。選擇LT1793是因為它個有低輸入偏置電流（最大10pA）和低信噪比。在高阻抗傳感器中建議使用保護環(huán)，否則由于電路板漏電流的影響，所測得的結(jié)果將產(chǎn)生偏差，從而鈄降低測量精度。

與通道2相連的是精密半波整流電路，使用LTC2408的內(nèi)部△-∑ADC作為積分儀。此電路可用于測量60Hz、120Hz或400Hz到1kHz的頻率，且效果極佳。LTC2408的內(nèi)部正弦采樣濾波器可有效地濾除上述范圍內(nèi)的任何頻率。當(dāng)頻率高于1kHz時，由于放大器增益帶寬的限制和暫態(tài)過程的共同影響會降低電路的測量等級。電路的動態(tài)范圍受運放的輸入偏置電壓和系統(tǒng)的全部噪音的限制。匹配一個斬波穩(wěn)零運放LTC1050（Vos=5μV）可將動態(tài)范圍擴大5個數(shù)量級左右。R6、R7由精密的三端雙10kΩ電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，用來維持增益和溫度的穩(wěn)定。在大部分的應(yīng)用中允許電阻有0.1%的最大偏差和最大5ppm/℃的溫度系數(shù)。

LTC2408的通道3和通道4與三線100Ω、鉑熱敏電阻（PT RTD）相連所構(gòu)成的電路可以測量RMS/RF信號功率，頻率可從幾十Hz～1GHz。這個電路的特點是信號的能量在50Ω電阻終端以熱量形式散發(fā)時能被100Ω的RTD所測得。RTD的引線電阻可用兩個通道的讀數(shù)來補償，將通道4的讀數(shù)乘比2再減去通道3的讀數(shù)所得到的結(jié)果即是RTD的準(zhǔn)確值。

在電路中接成半橋形式的熱敏電阻與LTC2408的通道5相連，可用前述方法采用RTD熱能測量法測量箱子的溫度?？偟膩碚f，熱敏電阻在規(guī)定溫度范圍內(nèi)具有非常高的分辨率，要達到0.001℃的測量分辨率是可能的。然而，熱敏電阻自熱的影響及其偏差和電路的導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)均限制了高分辨率的獲得。用所示的半橋形式電路，LTC2408的測溫范圍將擴大5倍。

紅外線熱電耦溫度計與LTC2408的通道6相連，可用于非接觸式溫度測量場合。假設(shè)LTC2408的噪聲為0.3PMRMS，則使用紅外線熱電耦溫度計的測量分辨率大約為0.03℃，等同于傳的J型熱電耦溫度計。由于紅外線熱電耦溫度計能夠進行自校準(zhǔn)，因此，綜不需任何外部冷端補償；不需使用傳統(tǒng)的開放式熱電耦檢波電路；而且具有大約3kΩ的輸出阻抗。相應(yīng)地，也可用傳統(tǒng)的熱電耦溫度計直接與LTC2408相連（圖4中沒有給出），而由與不同通道相連的外部溫度傳感器提供冷端補償，也可以用LT1025進行單一的冷端補償。

與通道7相連的光電二極管能以300pA的電流分辨率感應(yīng)日光。圖4中光電二極管用光導(dǎo)模式。LTC2408既可用光導(dǎo)模式也可以光伏模式。選用每瓦光強500mA的光電二極管（Hamnatsu S1336-5BK）時，它的輸出取決于兩個因素：有效檢測面積（2.4mm×2.4mm）和光強度。用5kΩ電阻在960nm波長將可測光強度增加至368W/m2（直接太陽光照的光強大約為1000W/m2）。因為分辨率為300pA，所以可測光照強度變化范圍為6個數(shù)量級。

5 結(jié)束語

LTC2408器件的多輸入轉(zhuǎn)換和高分辨率等特性使其具有極為廣泛的應(yīng)用范圍，本文所介紹的應(yīng)用電路展示了它靈活匹配的使用能力。只需少量的外圍電路，LTC2408便能在很寬范圍內(nèi)測量很微弱的信號。因此在微弱信號檢測和各種工業(yè)測控系統(tǒng)中，LTC2408高精度、高分辨率的優(yōu)勢將得以充分體現(xiàn)。