Σ-ΔADC转换器工作原理及应用分析

Σ-Δ转换器中广泛采用的滤波器拓扑是SINC3，一种具有低通特性的滤波器。这种滤波器的一个主要优点是具有陷波特性，可以将陷波点设在和电力线相同的频率，抑制其干扰。陷波点直接相关于输出数据速率(转换时间的倒数)。SINC3滤波器的建立时间三倍于转换时间。例如，陷波点设在60Hz时(60Hz数据速率)，建立时间为3/60Hz=50ms。有些应用要求更快的建立时间，而对分辨率的要求较低。对于这些应用，新型ADC诸如MAX1400系列允许用户选择滤波器类型SINC1或SINC3。SINC1滤波器的建立时间只有一个数据周期，对于前面的举例则为1/60Hz=16.7ms。由于带宽被输出数字滤波器降低，输出数据 速率可低于原始采样速率，但仍满足Nyquist定律。这可通过保留某些采样而丢弃其余采样来实现，这个过程就是所谓的按M因子"抽取"。M因子为抽取比例，可以是任何整数值。在选择抽取因子时应该使输出数据速率高于两倍的信号带宽。这样，如果以fs的频率对输入信号采样，滤波后的输出数据速率可降低至fs /M，而不会丢失任何信息。

　　二、MAXIM的新型Σ-ΔADC

　　新型高集成度Σ-ΔADC正在得到越来越广泛的应用，这种ADC只需极少外接元件就可直接处理微弱信号。MAX1402便是这种新一代ADC的一个范例，大多数信号处理功能已被集成于芯片内部，可视为一个片上系统，如图3所示。该器件在480sps工作速率下可提供16bit精度，4800sps时精度达12bit，工作模式下仅消耗250μA的电流，掉电模式仅消耗2μA。信号通道包含一个灵活的输入多路复用器，可被设置为3路全差分信号或5路伪差分信号、2个斩波放大器，1个可编程PGA(增益从1"128)、1个用于消除系统偏移的粗调DAC和1个二阶Σ-Δ调制器。调制器产生的1bit数据流被送往一个集成的数字滤波器进行精处理(配置为SINC1或SINC3)。转换结果可通过SPITM/QSPITM兼容的三线串行接口读取。另外，该芯片还包含有2个全差分输入通道，用于系统校准(失调和增益);2个匹配的200μA电流源，用于传感器激励(例如可用于3线/4线RTD);2个"泵出"电流，用于检测选定传感器的完整性。通过串行接口访问器件内部的8个片内寄存器，可对器件的工作模式进行编程。输入通道可以在外部命令的控制下进行采样或者连续采样，通过SCAN控制位设定，转换结果中附加有3bit"通道标识"位，用来确定输入通道。

　　图3 MAX1402原理框图

　　两个附加的校准通道CALOFF和CALGAIN可用来校准测量系统。此时可将CALOFF输入连接到地，将CALGAIN输入连接到参考电压。对上述通道的测量结果求取平均后可用来对测量结果进行校准。

　　三、Σ-ΔADC的应用

　　1. 热电偶测量及冷端补偿

　　如图4所示，在本应用中，MAX1402工作在缓冲方式，以便允许在前端采用比较大的去耦电容(用来消除热电偶引线拾取的噪声)。为适应输入缓冲器的共模范围，采用参考电压对AIN2输入加以偏置。在使用热电偶测温时，要获得精确的测量结果，必须进行冷端补偿。热电偶输出电压可表示为

　　V=α(t1-tref)

　　其中α是与热电偶材料有关的Seebeck常数，t1是待测温度，tref是接线盒处的温度。为了对tref造成的误差进行补偿，可以在热电偶输出端采用二极管补偿;也可以测出接线盒处的温度，然后用软件进行补偿。在本例中，差分输入通道AIN3、AIN4被用来测量P-N结的温度(用内部200μA电流源加以偏置)。

　　图4 热电偶测量及冷端补偿

　　2.3线和4线RTD测量

　　铂电阻温度传感器(RTD)被许多需要测量温度的应用所优选，因为它们具有优异的精度和互换性。一个在0℃时具有100Ω电阻的RTD，到+266℃时电阻会达到200Ω，灵敏度非常低，约为ΔR/Δt=100Ω/266℃。200μA的激励电流在0℃时可产生20mV输出，+266℃时输出40mV。MAX1402可直接处理这种低电平的信号。

　　根据不同应用，引线电阻对于测量精度会产生不同程度的影响。一般来讲，如果RTD靠近转换器，采用最简单的两线结构即可;而当RTD比较远时，引线电阻会叠加入RTD阻抗，并给测量结果引入显著误差。这种情况通常采用3线或4线RTD配置，如图5所示。

　　图5 3线和4线RTD测量

MAX1402内部两个匹配的200μA电流源可用来补偿3线或4线RTD配置中引线电阻造成的误差。在3线配置中，两个匹配的200μA电流源分别流过RL1和RL2，这样，AIN1和AIN2端的差分电压将不受引线电阻的影响。这种补偿方法成立的前提是两条引线材质相同，并具有相同的长度，还要求两个电流源的温度系数精确匹配 (MAX1402为5×10-6/℃)。4线配置中引线电阻将不会引入任何误差，因为在连接到AIN1和AIN2的测量引线中基本上没有电流流过。在此配置中，电流源OUT1被用来激励RTD传感器，电流源OUT2被用来产生参考