Σ-ΔADC轉(zhuǎn)換器工作原理及應(yīng)用分析

　　二、MAXIM的新型Σ-ΔADC

　　新型高集成度Σ-ΔADC正在得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，這種ADC只需極少外接元件就可直接處理微弱信號(hào)。MAX1402便是這種新一代ADC的一個(gè)范例，大多數(shù)信號(hào)處理功能已被集成于芯片內(nèi)部，可視為一個(gè)片上系統(tǒng)，如圖3所示。該器件在480sps工作速率下可提供16bit精度，4800sps時(shí)精度達(dá)12bit，工作模式下僅消耗250μA的電流，掉電模式僅消耗2μA。信號(hào)通道包含一個(gè)靈活的輸入多路復(fù)用器，可被設(shè)置為3路全差分信號(hào)或5路偽差分信號(hào)、2個(gè)斬波放大器，1個(gè)可編程PGA(增益從1"128)、1個(gè)用于消除系統(tǒng)偏移的粗調(diào)DAC和1個(gè)二階Σ-Δ調(diào)制器。調(diào)制器產(chǎn)生的1bit數(shù)據(jù)流被送往一個(gè)集成的數(shù)字濾波器進(jìn)行精處理(配置為SINC1或SINC3)。轉(zhuǎn)換結(jié)果可通過(guò)SPITM/QSPITM兼容的三線串行接口讀取。另外，該芯片還包含有2個(gè)全差分輸入通道，用于系統(tǒng)校準(zhǔn)(失調(diào)和增益);2個(gè)匹配的200μA電流源，用于傳感器激勵(lì)(例如可用于3線/4線RTD);2個(gè)"泵出"電流，用于檢測(cè)選定傳感器的完整性。通過(guò)串行接口訪問(wèn)器件內(nèi)部的8個(gè)片內(nèi)寄存器，可對(duì)器件的工作模式進(jìn)行編程。輸入通道可以在外部命令的控制下進(jìn)行采樣或者連續(xù)采樣，通過(guò)SCAN控制位設(shè)定，轉(zhuǎn)換結(jié)果中附加有3bit"通道標(biāo)識(shí)"位，用來(lái)確定輸入通道。

　　圖3 MAX1402原理框圖

　　兩個(gè)附加的校準(zhǔn)通道CALOFF和CALGAIN可用來(lái)校準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)。此時(shí)可將CALOFF輸入連接到地，將CALGAIN輸入連接到參考電壓。對(duì)上述通道的測(cè)量結(jié)果求取平均后可用來(lái)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)。

　　三、Σ-ΔADC的應(yīng)用

　　1. 熱電偶測(cè)量及冷端補(bǔ)償

　　如圖4所示，在本應(yīng)用中，MAX1402工作在緩沖方式，以便允許在前端采用比較大的去耦電容(用來(lái)消除熱電偶引線拾取的噪聲)。為適應(yīng)輸入緩沖器的共模范圍，采用參考電壓對(duì)AIN2輸入加以偏置。在使用熱電偶測(cè)溫時(shí)，要獲得精確的測(cè)量結(jié)果，必須進(jìn)行冷端補(bǔ)償。熱電偶輸出電壓可表示為

　　V=α(t1-tref)

　　其中α是與熱電偶材料有關(guān)的Seebeck常數(shù)，t1是待測(cè)溫度，tref是接線盒處的溫度。為了對(duì)tref造成的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，可以在熱電偶輸出端采用二極管補(bǔ)償;也可以測(cè)出接線盒處的溫度，然后用軟件進(jìn)行補(bǔ)償。在本例中，差分輸入通道AIN3、AIN4被用來(lái)測(cè)量P-N結(jié)的溫度(用內(nèi)部200μA電流源加以偏置)。

　　圖4 熱電偶測(cè)量及冷端補(bǔ)償

　　2.3線和4線RTD測(cè)量

　　鉑電阻溫度傳感器(RTD)被許多需要測(cè)量溫度的應(yīng)用所優(yōu)選，因?yàn)樗鼈兙哂袃?yōu)異的精度和互換性。一個(gè)在0℃時(shí)具有100Ω電阻的RTD，到+266℃時(shí)電阻會(huì)達(dá)到200Ω，靈敏度非常低，約為ΔR/Δt=100Ω/266℃。200μA的激勵(lì)電流在0℃時(shí)可產(chǎn)生20mV輸出，+266℃時(shí)輸出40mV。MAX1402可直接處理這種低電平的信號(hào)。

　　根據(jù)不同應(yīng)用，引線電阻對(duì)于測(cè)量精度會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。一般來(lái)講，如果RTD靠近轉(zhuǎn)換器，采用最簡(jiǎn)單的兩線結(jié)構(gòu)即可;而當(dāng)RTD比較遠(yuǎn)時(shí)，引線電阻會(huì)疊加入RTD阻抗，并給測(cè)量結(jié)果引入顯著誤差。這種情況通常采用3線或4線RTD配置，如圖5所示。

　　圖5 3線和4線RTD測(cè)量

　　MAX1402內(nèi)部?jī)蓚€(gè)匹配的200μA電流源可用來(lái)補(bǔ)償3線或4線RTD配置中引線電阻造成的誤差。在3線配置中，兩個(gè)匹配的200μA電流源分別流過(guò)RL1和RL2，這樣，AIN1和AIN2端的差分電壓將不受引線電阻的影響。這種補(bǔ)償方法成立的前提是兩條引線材質(zhì)相同，并具有相同的長(zhǎng)度，還要求兩個(gè)電流源的溫度系數(shù)精確匹配 (MAX1402為5×10-6/℃)。4線配置中引線電阻將不會(huì)引入任何誤差，因?yàn)樵谶B接到AIN1和AIN2的測(cè)量引線中基本上沒(méi)有電流流過(guò)。在此配置中，電流源OUT1被用來(lái)激勵(lì)RTD傳感器，電流源OUT2被用來(lái)產(chǎn)生參考電壓。在這種比例型配置中，RTD的溫漂誤差(由RTD激勵(lì)電流的溫漂引起)被參考電壓的漂移補(bǔ)償。

　　3. 智能4"20mA變送器

　　老式的4"20mA變送器采用一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)安裝的敏感元件感測(cè)一些物理信息，例如壓力或溫度等，然后產(chǎn)生一個(gè)正比于待測(cè)物理量的電流，電流的變化范圍標(biāo)準(zhǔn)化為4"20mA。電流環(huán)具有很多優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量信號(hào)對(duì)于噪聲不