Σ-ΔADC轉換器工作原理及應用分析

　　二、MAXIM的新型Σ-ΔADC

　　新型高集成度Σ-ΔADC正在得到越來越廣泛的應用，這種ADC只需極少外接元件就可直接處理微弱信號。MAX1402便是這種新一代ADC的一個范例，大多數信號處理功能已被集成于芯片內部，可視為一個片上系統，如圖3所示。該器件在480sps工作速率下可提供16bit精度，4800sps時精度達12bit，工作模式下僅消耗250μA的電流，掉電模式僅消耗2μA。信號通道包含一個靈活的輸入多路復用器，可被設置為3路全差分信號或5路偽差分信號、2個斬波放大器，1個可編程PGA(增益從1"128)、1個用于消除系統偏移的粗調DAC和1個二階Σ-Δ調制器。調制器產生的1bit數據流被送往一個集成的數字濾波器進行精處理(配置為SINC1或SINC3)。轉換結果可通過SPITM/QSPITM兼容的三線串行接口讀取。另外，該芯片還包含有2個全差分輸入通道，用于系統校準(失調和增益);2個匹配的200μA電流源，用于傳感器激勵(例如可用于3線/4線RTD);2個"泵出"電流，用于檢測選定傳感器的完整性。通過串行接口訪問器件內部的8個片內寄存器，可對器件的工作模式進行編程。輸入通道可以在外部命令的控制下進行采樣或者連續采樣，通過SCAN控制位設定，轉換結果中附加有3bit"通道標識"位，用來確定輸入通道。

　　圖3 MAX1402原理框圖

　　兩個附加的校準通道CALOFF和CALGAIN可用來校準測量系統。此時可將CALOFF輸入連接到地，將CALGAIN輸入連接到參考電壓。對上述通道的測量結果求取平均后可用來對測量結果進行校準。

　　三、Σ-ΔADC的應用

　　1. 熱電偶測量及冷端補償

　　如圖4所示，在本應用中，MAX1402工作在緩沖方式，以便允許在前端采用比較大的去耦電容(用來消除熱電偶引線拾取的噪聲)。為適應輸入緩沖器的共模范圍，采用參考電壓對AIN2輸入加以偏置。在使用熱電偶測溫時，要獲得精確的測量結果，必須進行冷端補償。熱電偶輸出電壓可表示為

　　V=α(t1-tref)

　　其中α是與熱電偶材料有關的Seebeck常數，t1是待測溫度，tref是接線盒處的溫度。為了對tref造成的誤差進行補償，可以在熱電偶輸出端采用二極管補償;也可以測出接線盒處的溫度，然后用軟件進行補償。在本例中，差分輸入通道AIN3、AIN4被用來測量P-N結的溫度(用內部200μA電流源加以偏置)。

　　圖4 熱電偶測量及冷端補償

　　2.3線和4線RTD測量

　　鉑電阻溫度傳感器(RTD)被許多需要測量溫度的應用所優選，因為它們具有優異的精度和互換性。一個在0℃時具有100Ω電阻的RTD，到+266℃時電阻會達到200Ω，靈敏度非常低，約為ΔR/Δt=100Ω/266℃。200μA的激勵電流在0℃時可產生20mV輸出，+266℃時輸出40mV。MAX1402可直接處理這種低電平的信號。

　　根據不同應用，引線電阻對于測量精度會產生不同程度的影響。一般來講，如果RTD靠近轉換器，采用最簡單的兩線結構即可;而當RTD比較遠時，引線電阻會疊加入RTD阻抗，并給測量結果引入顯著誤差。這種情況通常采用3線或4線RTD配置，如圖5所示。

　　圖5 3線和4線RTD測量

　　MAX1402內部兩個匹配的200μA電流源可用來補償3線或4線RTD配置中引線電阻造成的誤差。在3線配置中，兩個匹配的200μA電流源分別流過RL1和RL2，這樣，AIN1和AIN2端的差分電壓將不受引線電阻的影響。這種補償方法成立的前提是兩條引線材質相同，并具有相同的長度，還要求兩個電流源的溫度系數精確匹配 (MAX1402為5×10-6/℃)。4線配置中引線電阻將不會引入任何誤差，因為在連接到AIN1和AIN2的測量引線中基本上沒有電流流過。在此配置中，電流源OUT1被用來激勵RTD傳感器，電流源OUT2被用來產生參考電壓。在這種比例型配置中，RTD的溫漂誤差(由RTD激勵電流的溫漂引起)被參考電壓的漂移補償。

　　3. 智能4"20mA變送器

　　老式的4"20mA變送器采用一個現場安裝的敏感元件感測一些物理信息，例如壓力或溫度等，然后產生一個正比于待測物理量的電流，電流的變化范圍標準化為4"20mA。電流環具有很多優點：測量信號對于噪聲不