用超纖巧16位ADC取代低性能嵌入式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器

摘要： 本文介紹了如何利用外置adc取代微控制器內(nèi)部所集成的adc以及設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的注意事項(xiàng)。 關(guān)鍵詞： adc；微控制器；增益放大器；傳感器阻抗 當(dāng)今的電子產(chǎn)品總是希望尺寸越小越好。從占據(jù)整個(gè)房間的服務(wù)器系統(tǒng)到能方便地裝進(jìn)衣服口袋的消費(fèi)電子產(chǎn)品，設(shè)計(jì)師們不斷尋求實(shí)現(xiàn)最小的外形尺寸，在更小的空間中實(shí)現(xiàn)更多的功能。能夠讓完整的解決方案比同類方案小 10% 到 20% 的設(shè)計(jì)師有更大的機(jī)會(huì)贏得設(shè)計(jì)訂單。纖巧的集成電路是從大到小各種產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 這類便攜式和空間受限的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中包括電源、微控制器、mosfet、放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等電路。專用集成電路(asic)中已經(jīng)納入了很多上述功能，取得了不同程度的成功。設(shè)計(jì)師在空間、性能和成本之間進(jìn)行平衡取舍時(shí)，一個(gè)可能影響測(cè)量效果的環(huán)節(jié)是模數(shù)轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)師們常常使用微控制器和集成式 adc或較低分辨率的 adc 和前置放大器電路。 測(cè)量便攜式和空間受限設(shè)計(jì)的溫度、電壓、電流和其他信號(hào)時(shí)，adc 發(fā)揮著關(guān)鍵作用。嵌入式微控制器中的 adc 有一個(gè)主要問(wèn)題，線性度、偏移誤差、噪聲等關(guān)鍵直流性能規(guī)格常常沒(méi)有保證、未經(jīng)過(guò)測(cè)試甚至未列出。盡管微控制器的方框圖顯示，內(nèi)部有一個(gè)12 位逐次逼近寄存器(sar)adc 或一個(gè) 16 位增量累加 adc 可選，但是設(shè)計(jì)師們卻要猜測(cè)其真正的性能有多好。 當(dāng)今的微控制器內(nèi)核集成了多種功能，包括數(shù)字時(shí)鐘、定時(shí)器、存儲(chǔ)器和幾百個(gè)寄存器。就確實(shí)含有 adc 的微控制器而言，瀏覽冗長(zhǎng)的數(shù)據(jù)表以確定 adc 的性能是一個(gè)艱巨的任務(wù)。 進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室以后，獲得好的 adc 性能可能同樣艱巨。一個(gè)“16 位 adc”用起來(lái)也許更像是一個(gè) 10 位或 12 位 adc。adc 的地和負(fù)基準(zhǔn)電源一般來(lái)自與微控制器其余部分共用和噪聲較大的基片。由于這些微控制器以數(shù)字優(yōu)化工藝制造，沒(méi)有為測(cè)量模擬信號(hào)而優(yōu)化，因此 adc 的性能常常是事后考慮的。在微控制器內(nèi)部，沒(méi)有為實(shí)現(xiàn)良好 adc 性能而進(jìn)行最佳布線。不幸的是，adc 和其余電路共享一個(gè)公用的硅基片。 采用超纖巧封裝的 16 位 adc 凌力爾特公司提供的一個(gè)新 adc 系列使設(shè)計(jì)師有可能不必在空間、性能和成本之間進(jìn)行選擇。16 位的 ltc2450 采用 2mm×2mm dfn 封裝，手工設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)卓越的直流模擬信號(hào)測(cè)量性能。ltc2450 的線性度、偏移誤差和增益誤差都經(jīng)過(guò)測(cè)試，在整個(gè)工業(yè)溫度范圍內(nèi)有保證。這個(gè) adc 使得取代微控制器的嵌入式 adc 很容易，而且?guī)缀醪徽加酶嗟碾娐钒蹇臻g。 圖 1 所示是一個(gè)典型的印刷電路板，上面裝有 fpga、電源、微控制器和分立組件。利用這些組件的典型應(yīng)用包括光網(wǎng)卡、數(shù)據(jù)采集單元、服務(wù)器和很多其他設(shè)計(jì)。ltc2450 的 4mm2尺寸使它無(wú)需挪動(dòng)周圍電路就能進(jìn)行準(zhǔn)確的 adc 測(cè)量，如測(cè)量溫度、電流、電壓或氣流等值。

雖然尺寸纖巧，但是 ltc2450 的增量累加 adc 內(nèi)核具有 16 位無(wú)漏碼性能。積分非線性誤差(inl)的典型值為 2 lsb(最大值為 10 lsb)，增益誤差最大值為 0.02%，這兩個(gè)值在整個(gè)工業(yè)溫度范圍內(nèi)(-40℃至 +85℃)是有保證的。 ltc2450 的 dfn 封裝上有 6 個(gè)引腳，包括： *電源(vcc)，偏置該 adc 的內(nèi)部構(gòu)件，用作該 adc 的正基準(zhǔn)電壓；

*輸入電壓連接(vin)； *地電源(gnd)，用作模擬和數(shù)字地以及該 adc 的負(fù)基準(zhǔn)電壓。 *3 個(gè)數(shù)字 i/o 引腳，一個(gè)串行時(shí)鐘輸入引腳(sck)，一個(gè)串行數(shù)據(jù)輸出引腳(sdo)和一個(gè)芯片選擇/數(shù)據(jù)成幀引腳()。 該adc以16位分辨率測(cè)量 0v 至 vcc 的單端輸入電壓。這種單端輸入架構(gòu)可以輕松測(cè)量多種傳感器信號(hào)，如壓力傳感器、熱敏電阻和熱電耦信號(hào)，這只是有限的幾個(gè)例子。ltc2450 的尺寸使其能夠非常容易地取代微控制器中嵌入的 adc，所占用的總體電路板空間和成本預(yù)算只增加一點(diǎn)點(diǎn)。 圖 2a 中的圖釘指向 ltc2450 的模擬側(cè)(vcc、vin、gnd)。與封裝模擬側(cè)相對(duì)的是 ltc2450 的簡(jiǎn)單串行接口，由典型的 3 線串行接口組成。芯片選擇、串行時(shí)鐘和數(shù)據(jù)輸出線控制單個(gè)輸出寄存器，以從 adc 讀取數(shù)據(jù)。無(wú)需寫(xiě)任何寄存器，也無(wú)需處理任何復(fù)雜的數(shù)據(jù) i/o。通過(guò)將芯片選擇線連接到地，這個(gè) adc 還提供兩線通信模式，以進(jìn)一步節(jié)省電路板空間或?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單的隔離。 圖 2b 所示是 ltc2450 的原理圖和周圍組件。lt6660-5)串聯(lián)基準(zhǔn)用電路板的主電壓作為基準(zhǔn)輸入電源，在基準(zhǔn)輸出端向 ltc2450 提供一個(gè)良好穩(wěn)定的低噪聲 5v 電源。與 ltc2450 一樣，lt6660 也采用 2mm×2mm dfn 封裝，盡管只有 3 個(gè)引腳(in、out、gnd)在封裝的一側(cè)伸出來(lái)。這個(gè)串聯(lián)基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度為 0.2%(最大值)，溫度系數(shù)為 10ppm/℃，提供高達(dá) 20ma 的電流，這么大的電流足夠?yàn)樵?adc 供電。 圖2b lt6660基準(zhǔn)向ltc2450提供一個(gè)低功率、低噪聲的5v電源 取代較低分辨率的 adc 和增益放大器 除了使用微控制器