高性能∑-ΔADC的原理及应用

    摘要：MAX1403是美国MAXIM公司生产的一种高性能ADC芯片，可用于数字化的前端处理以及温度测量和变换，并可与单片机方便地连接。该芯片同时具有高精度、多功能、低功耗等特点。文中介绍了MAX1403的特点、结构和应用电路。最后指出了MAX1403在装接及电路板设计方面应注意的问题。

1 概述

MAX1403是一种18位、过采样的ADC芯片，它利用∑-Δ调制器和数字滤流器可实现真正的16位转换精度。在应用中，为了得到高输出的数据速度，可选择数字滤波因子，并可降低转换分辨率。而调制器的采样频率可作为最小功耗和最高输出数据速率选择的首选条件。

MAX1403能够提供具有独立编程（增益从1V/V～+128V/V）的三路真差动输入通道，并能补偿输入参数电压的直流失调。而这三路真差动输入通道还能组成五路伪差动输入通道。另外，该芯片还具有两个附加的差动校正通道，它能对增益和失调误差进行校正。

MAX1403能够对所有输入信号进行处理，并通过串行数字接口向外提供转换结果。当主机时钟频率为2.4576MHz或1.024MHz时，片内数字滤波器能够对线路频率和有关谐波频率进行处理，并使这些频率的幅值为零。以使在无需外接滤波器的条件下也能获得较好的滤波效果，同时，这也有助于提高输出端数字信号的质量。

MAX1403的主要特点如下：

●分辨率为18位；

●具有8个寄存器；

●功耗低

●具有两个匹配的传感器激励电流源；

●3个真差动输入或5个伪差动输入通道；

●2个附加输入校正通道；

●带有一个双向串行通讯接口；

●模拟电源和数字电源采用独立供电方式；

●可用软件控制增益和失调。

2 引脚功能

MAX1403芯片采用28引脚SSOP封装，它的引脚排列如图1所示。各引脚功能如下：

CLKIN：时钟输入引脚；

CLKOUT：时钟输出引脚。使用外部晶振时，将外部晶振连在CLKIN和CLKOUT之间；当使用外部其它时钟信号时，其时钟信号（频率为2.4576MHz或1.024MHz）在CLKIN输入，而CLKOUT不连。

CS：片选输入引脚。低电平有效。当CS为低电平时，允许芯片工作在三线接口模式，并能选择串行接口上的多个器件或作为帧同步信号。

RESET：复位输入引脚。低电平有效。当RESET为低电平时，能使控制逻辑、接口逻辑、数字滤波器和模拟调制器在上电后复位；RESET为高电平时，退出复位。

DS1：辅助数字输入位1的数字输入引脚；

DS0：辅助数据输入位0的数字输入引脚；

OUT2：传感器激励电流源2；

OUT1：传感器激励电流源1；

AGND：模拟地。为模拟电路的参考点；

V+：模拟正电源电压输入引脚，选择范围为+2.7V～+3.6V；

AIN1～AIN6：分别为模拟输入通道1～6脚；

CALGAIN-：增益校正负输入引脚；

CALGAIN+：增益校正正输入引脚；

REFIN-：差动参考负输入引脚；

REFIN+：差动参考正输入引脚；

CALOFF-：失调校正负输入引脚；

CALOFF+：失调校正正输入引脚；

DGND：数字地引脚。为数字电路参考点；

VDD：数字电源电压输入引脚。范围在+2.7V～+3.6V之间；

INT：中断输出引脚；

DOUT：串行数据输出引脚；

DIN：串行数据输入引脚；

SCLK：串行时钟输入引脚；

3 内部结构

MAX1403的内部功能结构图如图2所示。从图中可以看出，该芯片由一个开关结构、一个调制器、一个PGA（可编程增益放大器）、两个缓冲器、一个DAC、一个数字滤波器、一个振荡器、两个匹配的传感器激励电流源和一个双向串行通讯接口组成。

4 主要参数

为了能充分发挥MAX1403的性能和正确使用它，必须对推荐参数和极限参数有一个定量的了解，现将主要参数说明如下：

4.1 工作参数

MAX1403的推荐工作参数如下：

●模拟电源电压（V+）：2.7V～3.6V；

●数字电源电压（VDD）：2.7V～3.6V；

●参考电压：1.25V；

●时钟频率：2.4576MHz；

●无漏码精度：16位；

●模拟输入电压：（VAGND-30mV）～（V++30mV）；

●数字输入电压：0.4V～2V；

●数字输出电压：0.4V～（VDD-0.3V）；

●工作温度：

MAX1403CA1：0～+70℃；

MAX1403EA1：-40～+85℃；

●功耗：2～22mW；

4.2 极限参数

下面是MAX1403 ADC芯片的极限参数。

●模拟电源电压（V+）：-0.3V～+6V；

●数字电源电压（VDD）：-0.3V～+6V；

●模拟地与数字地间的电压：-0.3V～+0.3V；

●模拟输入电压：-0.3V～（V++0.3V）；

●模拟输出电压：-0.3V～（V++0.3V）；

●参考电压：-0.3V～（V++0.3V）；

●所有数字输出电压：-0.3V～（VDD+0.3V）；

●所有其它数字输入电压：-0.3V～+6V；

●时钟输入和时钟输出电压：-0.3V～（VDD+0.3V）；

●功耗：50mW。

5 应用电路

由于MAX1403具有多种功能，所以在各种宽动态范围（电子称和压力传感器）和串行接口的单片机系统中颇受欢迎，下面给出几个主要的应用电路。

5.1 RTD应用电路

由MAX1403和少量外围元件组成的3线RTD实用线路如图3所示。图中的两个电流源（200μA）是经过严格匹配的，其目的是为了补偿3线RTD线路中的误差。在3线RTD电路中，如果只作用一个电流源，那么引线电阻将会对系统产生误差，此时200μA电流通过RL1将产生一个误差电压并加到PGA的两上输入端（AIN1和AIN2）。如果再使用另一个大小和前一个电流源大小相等的电流源。那么该电流源在RL2也将产生一个误差电压，其大小和RL1的误差电压大小相同，方向相反，从而可保证AIN1和AIN2输入端的误差电压为零，即不受引线电阻的影响。图3中的参考电压是由一个电流源（200μA）在12.5kΩ电阻的压降提供的，这样设置能保证ADC获得更精确的比率结果。

4线RTD应用电路如图4所示。该图与3线RTD线路唯一的区别是测量输入端AIN1和AIN2没有引线电阻产生的误差电压。电流源OUT1能够给RTD提供一个激励电流，而电流源OUT2提供的电流，在电阻RREF可产生一个参考电压供调制器使用。在4线RTD应用电路中，模拟输入电压里的RTD温度误差是由于RTD电流源温漂产生的，它可以利用改变参考电压的方式进行补偿，从而使输入端AIN1和AIN2的误差电压达到零。

5.2 与单片机的接口电路

由MAX1403和单片机68HC11组成的接口实际线路如图5所示。从图5中可以看出，该接口电路非常简单，是花纲单片机I/O口较少的一种。当单片机具有一个硬件SPI（串行外设接口）时，就能使用三线接口，并与MAX1403直接相连。SPI硬件在SCLK上产生8个脉冲就能在一个引脚上移入数据，而在另一个引脚上移出数据。

为了获得最佳效果，可使用一个硬件中断来监视INT引脚和采集新数据（硬件中断有效时）。如果硬件中断无效或中断执行时间比选择转换速率时间长，可使用SYNC位来防止测量时从数据输出寄存器中读出数据。

MAX1403的另一种接口电路如图6所示。从图中看出，该接口电路所耗费的单片机I/O口更少，线路更简洁。全体单片机的I/O引脚均可与MAX1403接口。如果一个双向中开漏I/O引脚有效，即可把DOUT和DIN相连，从而进一步降低接口引脚数。要使用MAX1403三线接口，图中CS引脚必须接地。

5.3 4～20mA变送器

由MAX1403和μC/μP及DAC等电路组成的4～20mA变送器如图7所示。这是一种低电压、单电源供电、易与光耦合器接口的变送器，其性能非常良好。变送器从4～20mA环路中得到功率（能量），从而使变送器电路的电流被限制在4mA。如果把环路电流的容限进一步限制在3.5mA，那么变送器仍然可将环路电流保持在3.25mA，因为MAX1403本身消耗电流为250μA（0.25mA）。

6 印刷电路板和元件装接中的问题

为了使ADC获得最佳的性能，必须使用模拟地和数字地分开的印刷电路板。在印刷电路板的设计中，特别要注意地线的布置。通常把模拟地和数字地独立设置在各自电路中，然后把模拟地和连到一点（星号标志）。如果系统中只有一片MAX1403，那么可把该片的AGND和DGND引脚一起连到地平面；如果系统中有多片MAX1403，那么可把多块芯片的AGND和DGND引脚相连，尔后连到一个公共点，而这个公共点应尽量靠近MAX1403的星形地。

    数字地严禁设计在芯片下面，因为这样会把噪声耦合给芯片，从而影响ADC正常工作。但是应当使模拟地在芯片下面运行，因为这样能减少数字噪声的耦合。MAX1403的电源引脚输入线应尽可能宽，以提供一个低阻抗通道，从而降低电源线上脉冲的影响。

由于MAX1403是高分辨率的ADC，因而电源的耦合电路尤为重要。因此在印制电路板设计时，应对所有的模拟电源输入都加一级去耦电路，即用10μF锂电容和0.1μF陶瓷电容并联到地。而这些却耦电路的元件应尽可能靠近芯片的电源引脚，这样才能获得更好的去耦效果和消除因引线过线而带来的干扰。