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。
![](../img/eep-analog/analog-18059kmpdzcfk33c.jpg)
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)。
![](../img/eep-analog/analog-18060n3bl111qhan.jpg)
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。
![](../img/eep-analog/analog-18061amcwfdw4sae.jpg)
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
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