八通道24位微功耗无延时△-∑模数转换LTC2408

    摘要：LTC2408是美国LINEAR公司开发的具有低噪声、低协耗、高速度等特性的△-∑模数转换器。它可直接接收来自传感器的输入信号，适合于测量大动态范围的低柴频信号，可广泛应用于压力测量、直接温度测量、气体分析等领域。文中介绍了LTC2408的工作原理及应用电路。

1 概述

    LTC2408是美国LINEAR公司开发的具有低噪声、低功耗、高速度等特性的△-∑模数转换器、采用△-∑技术使其进一步减小了噪声环境的影响，从而成为工业和过程控制应用中的理想选择。此外，在系统中采用LTC2408能使系统设计者获得很高的分辨率，因为LTC2408的噪声性能比积分型模数转换器更好得多。它可直接接收来自传感器的输入信号，适合于测量大动态范围的低频信号，可广泛应用压力测量、直接温度测量、气体分析等领域。LTC2408的4线串行接口兼容于SPI和MICROWIRETM标准，易于与微处理器或数字信号处理器接口，可广泛应用于数据采集系统和可编程逻辑控制系统。

    LTC2408具有如下特性：

    ●内含24位分辨率的ADC与8个模拟输入通道的多路器；

    ●具有单个时钟周期的建立时间，可简化多路转换器操作；

    ●非线性误差为4PPM，无误码；

    ●满量程误差为4PPM；

    ●失调为0.5PPM；

    ●0.3PPM噪音；

    ●内带振荡器，不需任何外部时钟元件；

    ●50Hz/60Hz的陷波器，最小衰减110dB；

    ●参考输入电压范围为0.1～Vcc；

    ●活动的零点电平可将输入电压范围扩大到-12.5%VREF～112.5%VREF）；

    ●采用2.7V～5.5V单电源工作

    ●具有低电源电流（20μA）和自动关闭模式。

2 工作原理与封装

    LTC2408的内部结构功能框图如图1所示，它内含8个模拟通道的MUX以及△-∑ADC和时钟振荡器，因而无须外接时钟元件。其模拟通道改变后的第一次转换即可有效。通过LTC2408对引脚的设置，可在50Hz或60Hz+2%的频率上形成陷波，衰减可达110dB。在采用外部振荡器驱动时可使陷波频率在1Hz至120Hz范围内选择。

    LTC2408的参考输入电压为0.1V～Vcc。由于LTC2408可将输入范围扩大到-12.5%VREF～112.5%VREF，所以它能很好地消除由前置传感器或信号调节电路引起的偏置和超量程问题。

    LTC2408采用28脚塑料SSOP封装，其引脚排列如图2所示。各引脚功能如下：

    GND（引脚1，5，16，18，22，27，28）：地。模拟电路、数字电路和参考电压使用共同的参考地。必须通过最短引线直接与地平面相或单点接地。

    Vcc（引脚2，8）：正电源。Vcc与GND之间应用10μF的固态钽电容和0.1μF的陶瓷电容并联进行旁路。且电容引线应尽量短。

    VREF(引脚3)参考电压输入端。参考电压范围为0.1V～Vcc。

    ADCIN（引脚4）：模拟输入端。模拟输入电压范围为-0.125VREF～1.125VREF。若VREF>2.5V，则输入的模拟电压需限制在引脚允许的输入电压范围（-0.3V至Vcc+0.3V）内。

    COM（引脚6）：信号电压的参考地。该端必须通过最短引线直接与地平面相连。

    MUXOUT（引脚7）：MUX的输出电压端，是多路转换器的输出电压引脚。正常工作时与ADCIN相连。

    CH0～7（引脚9～15和17）：多路转换器的模拟输入通道0～7。

    CLK，SCK（引脚19，25）：转换时钟输入端。用于对系列数据同步传输给MUX和ADC的状态进行控制。在ADC的信号由高电平降为低电平时，此信号必须为低电平。

    CS MUX（引脚20）：MUX的片选输入端。CS MUX为高电平时，MUX接收一个模拟通道的地址，为低电平时，对MUX进行选通，并使被选通道与MUXOUT相连，同时对该通道的信号进行A/D转换。在通常情况下，把CS MUX和CS ADC并联在一起同时驱动。

    DIN（引脚21）：数字信号输入端。从DIN输入多路转换器的地址。

    CS ADC（引脚23）：数字输入端，低电平有效。当CS ADC为低电平时，SDO输出数据；反之，SDO不输出数据。随着每一次转换结束，ADC自动进入睡眼方式。只要CS是高电平，ADC就一直保持这种低功耗状态。CS只有在低电平时才能唤醒ADC。当CS由低电平上升为高电平时，中止写操作作并开始一次新的转换。

    SDO（引脚24）：三态数据输出端，在写操作期间进行系列数据输出。当片选CS为高电平时（CS=Vcc），SDO处于高阻态。当ADC处于转换和睡眼期间时，SDO可作为转换状态输出端，使CS下降为低电平即可读出转换状态。

    F0(引脚26)：数字输入端，用于控制ADC的陷波器的中心频率和转换时间。当F0与Vcc相连时（F0=Vcc），转换器使用内部时钟振荡器且数字滤波器的第一个零点为50Hz。当F0与FND相连时（F00V），转换器中数字滤波器的每个零点为60Hz。当采用频率为fEOSC的外部时钟信号驱动R0时，转换器使用此信号作为它的时钟信号，且数字滤波器的第一个零点为fEOSC/2560Hz。

3 应用设计

    图3为典型的转换时序图。如果CS与CS ADC和CS MUX相连，那么，在对MUX选通时呈高电平。CLK传输数据给MUX，作为模拟通道选择的依据。在CLK的上升沿，数据通过DIN进行传输。不同的数字对应不同的模拟通道，其真值表如表1所列。在CS下降为低电平且在上一次转换完成之后，多路转换器才能进行写操作。为了保证先前的转换确已完成，在读取输出数据之后，应至少延时tconv（约为135ms）后多路转换器才进行写操作，以确保操作正确，在CS的下降沿处，CLK应处于低电平。

表1 模拟通道选择真值表

    当多路转换器进行写操作时，ADC处于低功耗的睡眼状态。一旦MUX的写操作完成，上一次转换的数据即中读取。随着数据读取完毕，模拟输入电压即与新的选择通道相连，以开始一个新的转换循环。

    在CLK的控制下，数据从SDO输出。数据在CLK的上升沿被锁存。在32个时钟周期后，SDO变为高电平，这意味着一个新的转换又开始了。如果CS还处于低电平，则仍选择多路转换器上一次的模拟通道。如上近述，在CS上升为高电平并延时tconv后，将数据输入DIN可重新选择模拟通道。因为LTC2408的建立时间为单个时钟周期，所以在每一次转换徨后，可以选择任一次模拟通道。有一次的转换结果无延时。不论选择哪一个模拟通道，每一次转换与上一次转换都是相互独立的。

4 多物理量的数字化测量电路

    图4给出了用LTC2408设计的对自然界的多种物理量进行数字化测量的多功能测量电路，这儿都使用了单端信号调理电路。尽管桥式传感器在高噪音环境下或离ADC器件有一段距离工作时，使用差动信号输入方式是较好的方法，然而由于LTC2408具有低功耗性能，允许电路距传感器极近工作。因此用单端信号调理输入可极大地简化传感器的输出方式。在需要使用差动信号时，可用斩波或自校准电路与LTC2408匹配使用。

    在图4中，通过与通道0相相连的电阻网络，LTC2408能够测量从1mV至1kV的直流电压且不需要自动量程转换。电阻网络中990kΩ电阻的功率应为1W，并能在高压下工作，该电阻也可用一系列价钱较低、功率较小的金属膜电阻串联来代替。

    与通道1相连的是LT1793FET输入运放，在高阻低频时作为静电计放大器，可用于测溶液的PH值。该电路的增益为21，输入信号的范围是-15nV～250mV。由于高输出阻抗的传感器不能直接驱动电容式开关ADC，所以电路中必须有放大环节。选择LT1793是因为它个有低输入偏置电流（最大10pA）和低信噪比。在高阻抗传感器中建议使用保护环，否则由于电路板漏电流的影响，所测得的结果将产生偏差，从而钭降低测量精度。

    与通道2相连的是精密半波整流电路，使用LTC2408的内部△-∑ADC作为积分仪。此电路可用于测量60Hz、120Hz或400Hz到1kHz的频率，且效果极佳。LTC2408的内部正弦采样滤波器可有效地滤除上述范围内的任何频率。当频率高于1kHz时，由于放大器增益带宽的限制和暂态过程的共同影响会降低电路的测量等级。电路的动态范围受运放的输入偏置电压和系统的全部噪音的限制。匹配一个斩波稳零运放LTC1050（Vos=5μV）可将动态范围扩大5个数量级左右。R6、R7由精密的三端双10kΩ电阻网络构成，用来维持增益和温度的稳定。在大部分的应用中允许电阻有0.1%的最大偏差和最大5ppm/℃的温度系数。

    LTC2408的通道3和通道4与三线100Ω、铂热敏电阻（PT RTD）相连所构成的电路可以测量RMS/RF信号功率，频率可从几十Hz～1GHz。这个电路的特点是信号的能量在50Ω电阻终端以热量形式散发时能被100Ω的RTD所测得。RTD的引线电阻可用两个通道的读数来补偿，将通道4的读数乘比2再减去通道3的读数所得到的结果即是RTD的准确值。

    在电路中接成半桥形式的热敏电阻与LTC2408的通道5相连，可用前述方法采用RTD热能测量法测量箱子的温度。总的来说，热敏电阻在规定温度范围内具有非常高的分辨率，要达到0.001℃的测量分辨率是可能的。然而，热敏电阻自热的影响及其偏差和电路的导热结构均限制了高分辨率的获得。用所示的半桥形式电路，LTC2408的测温范围将扩大5倍。

    红外线热电耦温度计与LTC2408的通道6相连，可用于非接触式温度测量场合。假设LTC2408的噪声为0.3PMRMS，则使用红外线热电耦温度计的测量分辨率大约为0.03℃，等同于传的J型热电耦温度计。由于红外线热电耦温度计能够进行自校准，因此，综不需任何外部冷端补偿；不需使用传统的开放式热电耦检波电路；而且具有大约3kΩ的输出阻抗。相应地，也可用传统的热电耦温度计直接与LTC2408相连（图4中没有给出），而由与不同通道相连的外部温度传感器提供冷端补偿，也可以用LT1025进行单一的冷端补偿。

    与通道7相连的光电二极管能以300pA的电流分辨率感应日光。图4中光电二极管用光导模式。LTC2408既可用光导模式也可以光伏模式。选用每瓦光强500mA的光电二极管（Hamnatsu S1336-5BK）时，它的输出取决于两个因素：有效检测面积（2.4mm×2.4mm）和光强度。用5kΩ电阻在960nm波长将可测光强度增加至368W/m2（直接太阳光照的光强大约为1000W/m2）。因为分辨率为300pA，所以可测光照强度变化范围为6个数量级。

5 结束语

    LTC2408器件的多输入转换和高分辨率等特性使其具有极为广泛的应用范围，本文所介绍的应用电路展示了它灵活匹配的使用能力。只需少量的外围电路，LTC2408便能在很宽范围内测量很微弱的信号。因此在微弱信号检测和各种工业测控系统中，LTC2408高精度、高分辨率的优势将得以充分体现。