八通道24位微功耗無延時△-∑模數轉換LTC2408

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

1 概述

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

LTC2408具有如下特性：

●內含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，可簡化多路轉換器操作；

●非線性誤差為4PPM，無誤碼；

●滿量程誤差為4PPM；

●失調為0.5PPM；

●0.3PPM噪音；

●內帶振蕩器，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）和自動關閉模式。

2 工作原理與封裝

LTC2408的內部結構功能框圖如圖1所示，它內含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換即可有效。通過LTC2408對引腳的設置，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動時可使陷波頻率在1Hz至120Hz范圍內選擇。

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節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之間應用10μF的固態鉭電容和0.1μF的陶瓷電容并聯進行旁路。且電容引線應盡量短。

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。

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）：多路轉換器的模擬輸入通道0～7。

CLK，SCK（引腳19，25）：轉換時鐘輸入端。用于對系列數據同步傳輸給MUX和ADC的狀態進行控制。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轉換。在通常情況下，把CS MUX和CS ADC并聯在一起同時驅動。

DIN（引腳21）：數字信號輸入端。從DIN輸入多路轉換器的地址。

CS ADC（引腳23）：數字輸入端，低電平有效。當CS ADC為低電平時，SDO輸出數據；反之，SDO不輸出數據。隨著每一次轉換結束，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。CS只有在低電平時才能喚醒ADC。當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換。

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

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

3 應用設計

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

表1 模擬通道選擇真值表

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

在CLK的控制下，數據從SDO輸出。數據在CLK的上升沿被鎖存。在32個時鐘周期后，SDO變為高電平，這意味著一個新的轉換又開始了。如果CS還處于低電平，則仍選擇多路轉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，將數據輸入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，所以在每一次轉換徨后，可以選擇任一次模擬通道。有一次的轉換結果無延時。不論選擇哪一個模擬通道，每一次轉換與上一次轉換都是相互獨立的。

4 多物理量的數字化測量電路

圖4給出了用LTC2408設計的對自然界的多種物理量進行數字化測量的多功能測量電路，這兒都使用了單端信號調理電路。盡管橋式傳感器在高噪音環境下或離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相相連的電阻網絡，LTC2408能夠測量從1mV至1kV的直流電壓且不需要自動量程轉換。電阻網絡中990kΩ電阻的功率應為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動電容式開關ADC，所以電路中必須有放大環節。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，否則由于電路板漏電流的影響，所測得的結果將產生偏差，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的內部正弦采樣濾波器可有效地濾除上述范圍內的任何頻率。當頻率高于1kHz時，由于放大器增益帶寬的限制和暫態過程的共同影響會降低電路的測量等級。電路的動態范圍受運放的輸入偏置電壓和系統的全部噪音的限制。匹配一個斬波穩零運放LTC1050（Vos=5μV）可將動態范圍擴大5個數量級左右。R6、R7由精密的三端雙10kΩ電阻網絡構成，用來維持增益和溫度的穩定。在大部分的應用中允許電阻有0.1%的最大偏差和最大5ppm/℃的溫度系數。

LTC2408的通道3和通道4與三線100Ω、鉑熱敏電阻（PT RTD）相連所構成的電路可以測量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時能被100Ω的RTD所測得。RTD的引線電阻可用兩個通道的讀數來補償，將通道4的讀數乘比2再減去通道3的讀數所得到的結果即是RTD的準確值。

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，熱敏電阻在規定溫度范圍內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熱結構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，因此，綜不需任何外部冷端補償；不需使用傳統的開放式熱電耦檢波電路；而且具有大約3kΩ的輸出阻抗。相應地，也可用傳統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的電流分辨率感應日光。圖4中光電二極管用光導模式。LTC2408既可用光導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個數量級。

5 結束語

LTC2408器件的多輸入轉換和高分辨率等特性使其具有極為廣泛的應用范圍，本文所介紹的應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便能在很寬范圍內測量很微弱的信號。因此在微弱信號檢測和各種工業測控系統中，LTC2408高精度、高分辨率的優勢將得以充分體現。