LTC1293/LTC1294/LTC1296：?jiǎn)涡酒?2位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是至關(guān)重要的一環(huán)，它能夠?qū)?a href="http://m.makelele.cn/analog/" target="_blank">模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，為后續(xù)的處理和分析提供基礎(chǔ)。今天，我們就來(lái)深入探討一下Linear Technology公司的LTC1293/LTC1294/LTC1296單芯片12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

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產(chǎn)品概述

LTC1293/LTC1294/LTC1296是一系列包含串行I/O逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它們采用LTCMOS?開(kāi)關(guān)電容技術(shù)，可進(jìn)行12位單極性或11位加符號(hào)雙極性A/D轉(zhuǎn)換。輸入多路復(fù)用器可配置為單端或差分輸入（或其組合），并且所有單端輸入通道都包含片上采樣保持電路。在低功耗應(yīng)用中，當(dāng)器件空閑時(shí)可以進(jìn)行掉電操作，其中LTC1296還包含一個(gè)系統(tǒng)關(guān)斷輸出引腳，可用于在輸入多路復(fù)用器之前對(duì)外部電路（如信號(hào)調(diào)理電路）進(jìn)行掉電操作。

產(chǎn)品特性

軟件可編程特性

• 極性轉(zhuǎn)換：支持單極性/雙極性轉(zhuǎn)換，可根據(jù)實(shí)際需求靈活選擇。
• 輸入模式：提供差分/單端輸入選項(xiàng)，滿足不同的信號(hào)采集需求。
• 數(shù)據(jù)序列：支持MSB優(yōu)先或MSB/LSB數(shù)據(jù)序列，方便與不同的系統(tǒng)進(jìn)行接口。
• 電源管理：具備電源關(guān)斷功能，可有效降低功耗。
• 采樣保持：內(nèi)置采樣保持電路，確保信號(hào)采集的準(zhǔn)確性。

電源特性

支持單電源5V或±5V操作，適應(yīng)不同的電源環(huán)境。

接口特性

可直接與大多數(shù)MPU串行端口和所有MPU并行端口進(jìn)行4線接口，方便與微處理器進(jìn)行通信。

性能特性

• 高吞吐量：最大吞吐量速率可達(dá)46.5kHz，能夠滿足高速數(shù)據(jù)采集的需求。
• 快速轉(zhuǎn)換：最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為12μs（在全溫度范圍內(nèi)），保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性。
• 低功耗：電源電流僅為6.0mA，降低了系統(tǒng)的功耗。

關(guān)鍵規(guī)格

引腳功能

LTC1293

LTC1294

LTC1296

工作原理

串行接口

LTC1293/4/6通過(guò)同步、半雙工單線串行接口與微處理器和其他外部電路進(jìn)行通信。時(shí)鐘（CLK）同步數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)位在CLK下降沿傳輸，在上升沿捕獲。輸入數(shù)據(jù)先被接收，然后A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果被傳輸（半雙工）。由于半雙工操作，DIN和Dout可以連接在一起，允許通過(guò)CS、CLK和DATA（DIN/DOUT）三根線進(jìn)行傳輸。

輸入數(shù)據(jù)字

多路復(fù)用器地址

輸入字中跟隨起始位的四位分配了請(qǐng)求轉(zhuǎn)換的多路復(fù)用器配置。對(duì)于給定的通道選擇，轉(zhuǎn)換器將測(cè)量所選行中由 + 和 - 符號(hào)指示的兩個(gè)通道之間的電壓。在差分模式下，測(cè)量限于四個(gè)相鄰輸入對(duì)，具有任意極性；在單端模式下，所有輸入通道相對(duì)于COM進(jìn)行測(cè)量。

單極性/雙極性轉(zhuǎn)換

UNI位決定轉(zhuǎn)換是單極性還是雙極性。當(dāng)UNI為邏輯1時(shí)，對(duì)所選輸入電壓進(jìn)行單極性轉(zhuǎn)換；當(dāng)UNI為邏輯0時(shí)，進(jìn)行雙極性轉(zhuǎn)換。

MSB優(yōu)先/LSB優(yōu)先

MSBF位用于編程LTC1293/4/6的輸出數(shù)據(jù)為MSB優(yōu)先或LSB優(yōu)先序列。當(dāng)MSBF為邏輯1時(shí)，數(shù)據(jù)以MSB優(yōu)先格式出現(xiàn)在Dout線上；當(dāng)MSBF為邏輯0時(shí)，LSB優(yōu)先數(shù)據(jù)跟隨正常的MSB優(yōu)先數(shù)據(jù)出現(xiàn)在Dout線上。

電源關(guān)斷

LTC1293/4/6的電源關(guān)斷功能通過(guò)將PS位設(shè)置為邏輯0來(lái)激活。如果在接收到PS位后CS保持低電平，將移出一個(gè)全為邏輯1的12位Dout字，隨后是邏輯0，直到CS變?yōu)楦唠娖?。然后Dout線將進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)。LTC 1293/4/6將保持在關(guān)斷模式，直到下一個(gè)CS周期。

應(yīng)用信息

微處理器接口

LTC1293/4/6可以直接（無(wú)需外部硬件）與大多數(shù)流行的微處理器（MPU）同步串行格式進(jìn)行接口。如果使用沒(méi)有專(zhuān)用串行端口的MPU，可以將MPU的三個(gè)并行端口線編程為形成與LTC1293/4/6的串行鏈路。

模擬考慮

接地

LTC1293/4/6應(yīng)使用模擬接地平面和單點(diǎn)接地技術(shù)，避免使用繞線技術(shù)進(jìn)行面包板和評(píng)估。為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，建議使用PC板。模擬接地引腳（AGND）應(yīng)直接連接到接地平面，數(shù)字接地引腳（DGND）也可以直接連接到該接地引腳。VCC應(yīng)通過(guò)一個(gè)最小22μF的鉭電容直接旁路到接地平面，并使用一個(gè)0.1μF的陶瓷圓盤(pán)電容進(jìn)行高頻旁路。

旁路

為了獲得良好的性能，VCC必須無(wú)噪聲和紋波。在轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，VCC電壓相對(duì)于接地的任何變化都可能在輸出代碼中引入誤差或噪聲?？梢酝ㄟ^(guò)將VCC引腳直接旁路到模擬接地平面來(lái)保持VCC噪聲和紋波低于0.5mV。

模擬輸入

由于采用電容重新分配A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，LTC1293/4/6的模擬輸入具有電容性開(kāi)關(guān)輸入電流尖峰。這些電流尖峰很快就會(huì)穩(wěn)定，不會(huì)造成問(wèn)題。如果使用大的源電阻或慢速穩(wěn)定的運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)輸入，需要確保由電流尖峰引起的瞬態(tài)在轉(zhuǎn)換開(kāi)始之前完全穩(wěn)定。

源電阻

LTC1293/4/6的模擬輸入看起來(lái)像一個(gè)100pF的電容（CIN）與一個(gè)500Ω的電阻（RON）串聯(lián)。CIN在每個(gè)轉(zhuǎn)換周期內(nèi)會(huì)在（+）和（ - ）輸入之間切換一次。大的外部源電阻和電容會(huì)減慢輸入的穩(wěn)定速度，因此需要確保整體RC時(shí)間常數(shù)足夠短，以允許模擬輸入在允許的時(shí)間內(nèi)完全穩(wěn)定。

輸入運(yùn)算放大器

當(dāng)使用運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)模擬輸入時(shí)，重要的是運(yùn)算放大器要在允許的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定?？梢酝ㄟ^(guò)延長(zhǎng)“+”和“ - ”輸入的采樣時(shí)間來(lái)適應(yīng)較慢的運(yùn)算放大器。大多數(shù)運(yùn)算放大器，包括LT1006和LT1013單電源運(yùn)算放大器，都可以在最大時(shí)鐘速率為1MHz時(shí)的最小穩(wěn)定窗口（“+”輸入為2.5μs，“ - ”輸入為1μs）內(nèi)穩(wěn)定。

RC輸入濾波

可以使用RC網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸入進(jìn)行濾波。對(duì)于大的CF值（例如1μF），電容性輸入開(kāi)關(guān)電流會(huì)被平均為凈直流電流。應(yīng)選擇一個(gè)小電阻和大電容的濾波器，以防止電阻上的直流壓降。

輸入泄漏電流

如果源電阻過(guò)大，輸入泄漏電流也會(huì)產(chǎn)生誤差。例如，在125°C時(shí)，最大輸入泄漏規(guī)格為1μA，通過(guò)1kΩ的源電阻會(huì)導(dǎo)致1mV或0.8LSB的電壓降。

采樣保持

LTC1293/4/6為單端模式下采集的所有信號(hào)提供內(nèi)置采樣保持（S&H）功能。采樣保持允許LTC1293/4/6轉(zhuǎn)換快速變化的信號(hào)。在差分輸入情況下，A/D轉(zhuǎn)換的是兩個(gè)電壓之間的差值，“ - ”引腳的電壓必須在整個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)保持恒定，無(wú)噪聲和紋波。

參考輸入

LTC1293/4/6的參考輸入電壓決定了A/D轉(zhuǎn)換器的電壓跨度。參考輸入由于開(kāi)關(guān)電容轉(zhuǎn)換技術(shù)而具有瞬態(tài)電容性開(kāi)關(guān)電流。如果使用慢速穩(wěn)定的電路驅(qū)動(dòng)參考輸入，需要確保由這些電流尖峰引起的瞬態(tài)在每個(gè)轉(zhuǎn)換位測(cè)試期間完全穩(wěn)定。

降低參考操作

通過(guò)減小轉(zhuǎn)換器的輸入跨度，可以提高LTC1293/4/6的有效分辨率。在低VREF值下操作時(shí)，需要考慮偏移和噪聲等因素。

過(guò)壓保護(hù)

將超過(guò)正電源或低于V - 的信號(hào)應(yīng)用到LTC1293/4/6的模擬輸入會(huì)降低A/D的精度，并可能損壞設(shè)備。可以通過(guò)適當(dāng)?shù)碾娫磁判蚧蚴褂猛獠侩娐穪?lái)鉗位或限制輸入源的電流來(lái)防止這種情況發(fā)生。

典型應(yīng)用

數(shù)字線性化鉑電阻溫度傳感器信號(hào)調(diào)理器

該應(yīng)用使用LTC1294對(duì)鉑電阻溫度傳感器的信號(hào)進(jìn)行采集和處理，通過(guò)線性化算法將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

微功耗、5000V光隔離、多通道、12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

該系統(tǒng)每?jī)擅朐L問(wèn)一次，使用LTC1294進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)光隔離器實(shí)現(xiàn)與外部電路的隔離。

總結(jié)

LTC1293/LTC1294/LTC1296單芯片12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有豐富的功能和良好的性能，適用于各種數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要充分考慮其電氣特性、接口要求和應(yīng)用注意事項(xiàng)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)類(lèi)似的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)？你對(duì)它們的性能和使用體驗(yàn)有什么看法呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。