深入了解LTC1091/LTC1092/LTC1093/LTC1094數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在電子工程師的日常設計工作中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個關(guān)鍵的組成部分。今天我們要詳細探討的是 Linear Technology 公司的 LTC1091/LTC1092/LTC1093/LTC1094 系列 10 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它們在模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化處理方面有著出色的表現(xiàn)。

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一、產(chǎn)品概述

LTC1091/LTC1092/LTC1093/LTC1094 是 10 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，適用于從各種信號源和傳感器中數(shù)字化模擬數(shù)據(jù)。這些器件圍繞 10 位開關(guān)電容逐次逼近 A/D 內(nèi)核構(gòu)建，內(nèi)置軟件可配置的模擬多路復用器、雙極性和單極性轉(zhuǎn)換模式以及片上采樣保持電路。片上串行端口能高效地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁鞣N微處理器和微控制器中。它們不僅能在比例應用中提供完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，還能在其他應用中與外部參考配合使用。

二、產(chǎn)品特性

1. 可編程特性豐富
   • 支持單極性/雙極性轉(zhuǎn)換，以及差分/單端多路復用器配置，工程師可以根據(jù)不同的應用需求靈活選擇轉(zhuǎn)換模式和多路復用器配置。
   • 具備采樣保持功能，能夠?qū)焖僮兓男盘栠M行準確采集。
2. 電源靈活性高
   • 可采用單電源 5V、10V 或 ±5V 供電，適應不同的電源環(huán)境。
3. 通信接口便捷
   • 能直接通過 3 線或 4 線與大多數(shù) MPU 串行端口和所有 MPU 并行 I/O 端口相連，實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸。
4. 高精度與高性能
   • 模擬輸入共模范圍可達電源軌，分辨率為 10 位，能滿足較高的精度要求。
   • A 級器件在全溫度范圍內(nèi)的總未調(diào)整誤差為 ±1LSB，溫度漂移極低，典型的失調(diào)、線性度和滿量程誤差溫度漂移僅為 1ppm/°C。
   • 轉(zhuǎn)換時間快，僅需 20μs，可快速完成數(shù)據(jù)采集。
5. 低功耗設計
   • LTC1091 的最大電源電流為 3.5mA，典型值為 1.5mA；LTC1092/LTC1093/LTC1094 的最大電源電流為 2.5mA，典型值為 1mA，適合對功耗有要求的應用場景。

三、引腳功能

不同型號的引腳功能有所不同，下面分別介紹：

1. LTC1091/LTC1092
   • CS（引腳 1）：芯片選擇輸入，低電平有效，用于使能器件。
   • CH0、CH1/+IN、–IN（引腳 2、3）：模擬輸入引腳，輸入信號需相對于 GND 無噪聲。
   • GND（引腳 4）：模擬地，應直接連接到模擬接地平面。
   • DIN（引腳 5）（LTC1091）：數(shù)字數(shù)據(jù)輸入，用于輸入多路復用器地址。
   • VREF（引腳 5）（LTC1092）：參考輸入，定義 A/D 轉(zhuǎn)換器的量程，需相對于 AGND 無噪聲。
   • DOUT（引腳 6）：數(shù)字數(shù)據(jù)輸出，輸出 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果。
   • CLK（引腳 7）：移位時鐘，同步串行數(shù)據(jù)傳輸。
   • VCC(VREF)（引腳 8）（LTC1091）：正電源和參考電壓，需通過旁路電容直接連接到模擬接地平面，以消除噪聲和紋波。
   • VCC（引腳 8）（LTC1092）：正電源電壓，同樣需進行旁路處理。
2. LTC1093/LTC1094
   • CH0 至 CH5/CH0 至 CH7（引腳 1 至 6/引腳 1 至 8）：模擬輸入引腳，輸入信號需相對于 AGND 無噪聲。
   • COM（引腳 7/引腳 9）：公共端，定義所有單端輸入的零參考點，需無噪聲，通常連接到模擬接地平面。
   • DGND（引腳 8/引腳 10）：數(shù)字地，為內(nèi)部邏輯提供接地。
   • V–（引腳 9/引腳 11）：負電源，在單電源應用中可接地。
   • AGND（引腳 10/引腳 12）：模擬地，應直接連接到模擬接地平面。
   • VREF（引腳 11）（LTC1093）：參考輸入，需相對于 AGND 無噪聲。
   • REF+、REF–（引腳 13、14）（LTC1094）：參考輸入，同樣需無噪聲。
   • DIN（引腳 12/引腳 15）：數(shù)據(jù)輸入，用于輸入 A/D 配置字。
   • DOUT（引腳 13/引腳 16）：數(shù)字數(shù)據(jù)輸出，輸出 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果。
   • CS（引腳 14/引腳 17）：芯片選擇輸入，低電平有效。
   • CLK（引腳 15/引腳 18）：移位時鐘，同步串行數(shù)據(jù)傳輸。
   • VCC（引腳 16）（LTC1093）：正電源，需進行旁路處理。
   • AVCC、DVCC（引腳 19、20）（LTC1094）：正電源，應連接在一起并進行旁路處理。

四、數(shù)字方面的考慮

1. 串行接口
   • LTC1091/LTC1093/LTC1094 通過同步、半雙工的 4 線串行接口與微處理器和其他外部電路通信，而 LTC1092 使用 3 線接口。時鐘（CLK）同步數(shù)據(jù)傳輸，每個位在 CLK 下降沿發(fā)送，在上升沿捕獲。
   • 數(shù)據(jù)傳輸由片選信號（CS）的下降沿啟動。LTC1091/LTC1093/LTC1094 先接收輸入數(shù)據(jù)，然后返回 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果。由于是半雙工操作，DIN 和 DOUT 可以連接在一起，通過 CS、CLK 和 DATA（DIN/DOUT）三根線進行傳輸。
   • LTC1092 無需配置輸入字，CS 下降沿啟動數(shù)據(jù)傳輸，第一個 CLK 脈沖使能 DOUT，經(jīng)過一個空比特后，輸出 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果。
2. 輸入數(shù)據(jù)字
   • LTC1092 無需 DIN 字，永久配置為單差分輸入和單極性模式，轉(zhuǎn)換結(jié)果以 MSB 優(yōu)先或 LSB 優(yōu)先的順序輸出。
   • LTC1091/LTC1093/LTC1094 的輸入數(shù)據(jù)字定義不同。LTC1091 的輸入數(shù)據(jù)字包含 START、SGL/DIFF、ODD/SIGN、MSBF、MUX ADDRESS 等位；LTC1093/LTC1094 的輸入數(shù)據(jù)字包含 START、SELECT 1、SELECT 0、UNI、MSBF、SGL/DIFF、ODD/SIGN、MUX ADDRESS 等位。
3. 適應不同字長的微處理器
   • LTC1091/LTC1093/LTC1094 在傳輸數(shù)據(jù)后會持續(xù)填充零，直到 CS 變?yōu)楦唠娖?，此時 DOUT 線禁用。這使得它們能夠方便地與不同傳輸增量的 MPU 串行端口接口，如 4 位和 8 位端口。
4. DIN 和 DOUT 連接在一起的操作
   • LTC1091/LTC1093/LTC1094 可以將 DIN 和 DOUT 連接在一起，減少與 MPU 通信所需的線路。處理器連接到該數(shù)據(jù)線的引腳應可配置為輸入或輸出。例如，LTC1091 在收到起始位后的第 4 個 CLK 下降沿會控制數(shù)據(jù)線并將其拉低，因此處理器端口線必須在此之前切換為輸入。
5. 微處理器接口
   • 這些器件可以直接與大多數(shù)流行的微處理器同步串行格式接口，無需外部硬件。如果使用沒有專用串行端口的 MPU，可以將其并行端口的三到四根線編程為與 LTC1091/LTC1092/LTC1093/LTC1094 形成串行鏈路。文檔中給出了與摩托羅拉 SPI（如 MC68HC05C4）和英特爾 8051 系列并行端口接口的示例。

五、模擬方面的考慮

1. 接地
   • 建議使用模擬接地平面和單點接地技術(shù)。AGND 引腳（LTC1091/LTC1092 上的 GND）應直接連接到接地平面，DGND 引腳也可直接連接。VCC 引腳應通過 4.7μF 鉭電容旁路到接地平面，AVCC 和 DVCC 在 LTC1094 上應連接在一起，V–引腳應通過 0.1μF 陶瓷圓盤電容旁路。
2. 旁路
   • VCC 必須無噪聲和紋波，否則會在轉(zhuǎn)換周期中引入誤差或噪聲。LTC1091 的 VCC(VREF)引腳定義了 A/D 轉(zhuǎn)換器的電壓量程，其旁路尤為重要。通過使用 4.7μF 鉭電容將 VCC 引腳直接旁路到模擬接地平面，可以將噪聲和紋波保持在 1mV 以下。
3. 模擬輸入
   • 由于采用電容式再分配 A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù)，模擬輸入存在電容式開關(guān)輸入電流尖峰。這些尖峰很快會穩(wěn)定，但如果使用大源電阻或慢速穩(wěn)定的運算放大器驅(qū)動輸入，需要確保在轉(zhuǎn)換開始前電流尖峰引起的瞬態(tài)完全穩(wěn)定。
   • 模擬輸入等效為 60pF 電容（CIN）與 500Ω 電阻（RON）串聯(lián)，大的外部源電阻和電容會減慢輸入的穩(wěn)定速度，因此需要確保整體 RC 時間常數(shù)足夠短，以允許模擬輸入在允許時間內(nèi)完全穩(wěn)定。
   • “+”輸入在采樣階段（tSMPL）必須完全穩(wěn)定，可通過減小 RSOURCE+和 C1 或降低 CLK 頻率來改善輸入穩(wěn)定時間?！皑C”輸入在轉(zhuǎn)換的第一個 CLK 周期內(nèi)必須完全穩(wěn)定且無噪聲，同樣可通過減小 RSOURCE–和 C2 或降低 CLK 頻率來實現(xiàn)。
   • 當使用運算放大器驅(qū)動模擬輸入時，運算放大器必須在允許時間內(nèi)穩(wěn)定。大多數(shù)運算放大器，如 LT1006 和 LT1013 單電源運算放大器，在最大時鐘速率 500kHz 下，即使在最小穩(wěn)定窗口（“+”輸入 3μs，“–”輸入 2μs）內(nèi)也能穩(wěn)定。
   • 可以使用 RC 網(wǎng)絡對輸入進行濾波，選擇小電阻和大電容的濾波器可防止電阻上的直流壓降。輸入泄漏電流在源電阻過大時也會產(chǎn)生誤差，溫度降低時泄漏電流會迅速下降。
4. 采樣保持
   • 對于單端輸入，LTC1091/LTC1093/LTC1094 提供內(nèi)置采樣保持功能，允許對快速變化的信號進行轉(zhuǎn)換。輸入電壓在 tSMPL 時間內(nèi)采樣，采樣間隔從 MSBF 位前的位移入開始，到 MSBF 位收到后的 CLK 下降沿結(jié)束，此時采樣保持進入保持模式，轉(zhuǎn)換開始。
   • 對于差分輸入，A/D 轉(zhuǎn)換的是兩個電壓之間的差值?！?”輸入電壓可以快速變化，但“–”輸入電壓在整個轉(zhuǎn)換時間（10 個 CLK 周期）內(nèi)必須保持恒定且無噪聲和紋波，否則會導致轉(zhuǎn)換誤差。
5. 參考輸入
   • 參考輸入之間的電壓定義了 A/D 轉(zhuǎn)換器的電壓量程。參考輸入主要表現(xiàn)為 10k 電阻，但由于開關(guān)電容轉(zhuǎn)換技術(shù)，會有瞬態(tài)電容式開關(guān)電流。在轉(zhuǎn)換的每個位測試（每個 CLK 周期）中，A/D 會在參考引腳上產(chǎn)生電容式電流尖峰，這些尖峰很快會穩(wěn)定。
   • 驅(qū)動參考輸入時，應確保源電阻（ROUT）低于 1Ω，以防止最大 1mA 參考電流（IREF）引起的直流壓降。參考輸入上的瞬態(tài)必須在每個位測試中完全穩(wěn)定，可使用較慢的 CLK 頻率來增加參考穩(wěn)定時間。建議將 LTC1094 的 REF 輸入直接連接到模擬接地平面，且其電壓在轉(zhuǎn)換周期內(nèi)不能變化，必須無噪聲和紋波。
6. 降低參考電壓操作
   • LTC1091 的最小參考電壓限制為 4.5V，因為 VCC 電源和參考內(nèi)部相連。而 LTC1092/LTC1093/LTC1094 可以在低于 1V 的參考電壓下工作。
   • 通過減小轉(zhuǎn)換器的輸入量程，可以提高 LTC1092/LTC1093/LTC1094 的有效分辨率。但在低 VREF 值下操作時，需要考慮偏移、噪聲和轉(zhuǎn)換速度（CLK 頻率）等因素。偏移在低參考電壓下對輸出代碼的影響更大，可通過數(shù)字校正或偏移“–”輸入來解決。噪聲在低參考電壓下會成為 LSB 的較大部分，可能導致輸出代碼抖動，需要更干凈的無噪聲設置。低參考電壓下，LSB 步長減小，內(nèi)部比較器過驅(qū)動減小，可能需要降低最大 CLK 頻率。

六、典型應用

文檔中給出了多個典型應用示例，包括 0°C 至 500°C 爐廢氣溫度監(jiān)測、0°C 至 100°C 高精度熱敏電阻溫度測量系統(tǒng)、–55°C 至 125°C 溫度計以及微功耗、500V 光隔離多通道 10 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。這些應用展示了 LTC1091/LTC1092/LTC1093/LTC1094 在不同場景下的實用性。

七、總結(jié)

LTC1091/LTC1092/LTC1093/LTC1094 系列數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有豐富的可編程特性、高電源靈活性、便捷的通信接口、高精度和低功耗等優(yōu)點。在設計過程中，需要充分考慮數(shù)字和模擬方面的各種因素，以確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。同時，通過參考典型應用示例，可以更好地將這些器件應用到實際項目中。大家在實際使用過程中，有沒有遇到過一些特殊的問題或者有獨特的應用經(jīng)驗呢？歡迎在評論區(qū)分享。