18位高精密D-S A/D轉(zhuǎn)換器MCP3421及其應(yīng)用

　　概述

　　在工業(yè)自動化控制以及測試、測量系統(tǒng)中都需要利用A/D轉(zhuǎn)換器將外部物理量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。D-S ADC與傳統(tǒng)的逐次逼近型和積分型ADC相比，具有轉(zhuǎn)換無償小、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，常被用來測量低速、轉(zhuǎn)換精度要求高的傳感器信號。

　　Microchip公司的MCP3421與其它A/D轉(zhuǎn)換器相比，特點(diǎn)主要表現(xiàn)在：全差分輸入；18位分辨率；精密的連續(xù)自校準(zhǔn)功能；可選擇3.75、15、60或240SPS采樣速率進(jìn)行轉(zhuǎn)換；可工作在連續(xù)轉(zhuǎn)換或單次轉(zhuǎn)換模式，在單次轉(zhuǎn)換后的空閑期內(nèi)自動進(jìn)入待機(jī)模式，極大地減小了電流消耗；內(nèi)部集成2.048V±0.05%精度，且溫度漂移僅為5ppm/℃的基準(zhǔn)電壓源；可編程增益放大器(PGA)提供1/2/4/8倍增益，允許測量極小的信號并且具有很高的分辨率；內(nèi)部集成振蕩器電路并提供I2C串行接口等。
　　
　　MCP3421封裝形式與結(jié)構(gòu)

　　MCP3421是Microchip公司D-S A/D轉(zhuǎn)換器系列的一款18位分辨率器件，它采用SOT23-6封裝，圖1(a)為MCP342封裝和引腳分布，圖1(b)為其內(nèi)部功能框圖。MCP342內(nèi)部采用了Microchip專利的差分開關(guān)電容D-S轉(zhuǎn)換及數(shù)字濾波技術(shù)，專為需要高分辨率和低功耗的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，在這種應(yīng)用中，空間和低功耗是設(shè)計(jì)的首要考慮因素。MCP3421可在2.7V至5.5V單電源下電壓工作，并消耗很低的電流，在VDD=3V、單次轉(zhuǎn)換、1SPS條件下，電流消耗僅為39uA(典型值)。


　　
　　MCP3421的工作原理

　　MCP3421為一個(gè)全差分、18位分辨率具自校正功能的D-S A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部包括D-S轉(zhuǎn)換器、可編程增益放大器、時(shí)鐘發(fā)生器和I2C接口，以及2.048V電壓基準(zhǔn)源五大部分(參考圖１(b))。MCP3421設(shè)計(jì)簡單、極易配置，允許設(shè)計(jì)工程師通過最小配置獲得精確的測量結(jié)果。

　　D-S轉(zhuǎn)換器

　　MCP3421 D-S A/D轉(zhuǎn)換器采用Microchip專利的差分開關(guān)電容D-S轉(zhuǎn)換及數(shù)字濾波技術(shù)，包括一個(gè)差分開關(guān)電容D-S調(diào)制器和一個(gè)數(shù)字濾波器。調(diào)制器測量差分模擬輸入電壓(經(jīng)內(nèi)部PGA放大)，并將其與內(nèi)部電壓基準(zhǔn)相比較。MCP3421內(nèi)部集成了2.048V電壓基準(zhǔn)。數(shù)字濾波器從調(diào)制器接收到高速數(shù)據(jù)流，經(jīng)數(shù)字濾波器處理后輸出一個(gè)數(shù)字代碼。MCP3421輸出的數(shù)字代碼是PGA增益、輸入信號和內(nèi)部電壓基準(zhǔn)的函數(shù)。在固定配置下，輸出數(shù)字代碼與兩個(gè)模擬輸入引腳間的電壓差成正比。輸出代碼限定在一定的數(shù)目范圍內(nèi)，該范圍取決于代表輸出碼所需的位數(shù)，同時(shí)也與采用的轉(zhuǎn)換速率有關(guān)，如表1所示。

　　MCP3421輸出代碼采用二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式，最大的n位代碼為，而最小的n位代碼為。MCP3421輸出的所有代碼均右對齊，并且經(jīng)過符號擴(kuò)展。 表2 為不同轉(zhuǎn)換模式下輸出代碼的格式：

　　時(shí)鐘振蕩器

　　MCP3421內(nèi)部包括時(shí)鐘振蕩器，該時(shí)鐘電路驅(qū)動D-S調(diào)制器和數(shù)字濾波器工作。用戶可通過設(shè)置配置寄存器來選擇MCP3421的采樣速率為3.75、15、60或240SPS。MCP3421不能采用外部調(diào)制器輸入時(shí)鐘。

　　自校準(zhǔn)

　　MCP3421集成了自校準(zhǔn)電路。自校準(zhǔn)系統(tǒng)連續(xù)工作并不要用戶干涉。MCP3421在每次轉(zhuǎn)換時(shí)進(jìn)行失調(diào)電壓和增益的自校準(zhǔn)。這樣在溫度和電源電壓變化時(shí)仍可提供可靠的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

　　I2C串行接口

　　MCP3421通過I2C串行接口與主機(jī)進(jìn)行通信。MCP3421只能作為從器件，并提供8個(gè)可選I2C地址。MCP3421的I2C接口支持標(biāo)準(zhǔn)(100Kbits/sec),快速(400Kbits/sec)，高速(3.4Mbits/sec)三種模式，并于I2C總線協(xié)議完全兼容。

　　用戶可通過I2C接口讀/寫MCP3421內(nèi)的配置寄存器，進(jìn)而改變器件的工作模式并查詢器件的工作狀態(tài)。同時(shí)，I2C接口也用于讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)代碼。圖2為設(shè)置配置寄存器的時(shí)序圖。圖3為18位模式下從MCP3421讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的時(shí)序圖。

　　MCP3421的應(yīng)用

　　MCP3421可廣泛應(yīng)用于各種需要低功耗和高精度A/D轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)中，例如，基于熱電偶或熱電阻的溫度測量；壓力或流量的測量。MCP3421在這些應(yīng)用電路中連接非常簡單。以下部分簡單介紹MCP3421的應(yīng)用和連接。

　　與單片機(jī)的連接

　　MCP3421與具有I2C接口的單片機(jī)的連接方式非常簡單。如圖4所示的單片機(jī)測量系統(tǒng)中，MCP3421與其它器件(EEPROM、溫度傳感器)等共享I2C總線，并可以標(biāo)準(zhǔn)、快速或高速三種模式與單片機(jī)進(jìn)行通信。由于I2C總線是一種漏極開路驅(qū)動，所以SCL和SDA線都需要上拉電阻。上拉電阻的大小取決于總線的工作速率和總線電容。

　　輸入端連接

　　MCP3421提供全差分輸入。外部輸入信號可連接到VIN+和VIN-輸入引腳。差分輸入電壓VIN(=VIN+-VIN-)被PGA放大后經(jīng)D-S調(diào)制器轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼。MCP3421的輸入引腳不能連接負(fù)輸入電壓。MCP3421差分輸入和單端輸入的連接如圖5 所示。在單端輸入時(shí)，VIN-引腳連接到地，此時(shí)輸入信號范圍為0V至2.048V。

　　MCP3421與熱電偶連接

　　MCP3421可以與各種不同的傳感器進(jìn)行接口。圖6為熱電偶溫度變送器的系統(tǒng)框圖。由于MCP3421內(nèi)部具有最大達(dá)8倍的PGA增益和2.048V的電壓基準(zhǔn)，因而可以直接與K型等熱電偶連接。溫度補(bǔ)償通過采用外部的數(shù)字溫度傳感器(圖中為MCP9800)來實(shí)現(xiàn)。MCP321轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)和溫度傳感器檢測到的溫度值經(jīng)單片機(jī)計(jì)算和線性化處理后，以電壓或4-20mA電流環(huán)的方式傳送到其它控制系統(tǒng)。

　　在PGA增益=8和選擇18位分辨率時(shí)，，完全可滿足毫伏(mV)級電壓輸出的熱電偶溫度測量要求。利用高分辨率和低功耗的MCP3421 A/D轉(zhuǎn)換器和Microchip的單片機(jī)、溫度傳感器、D/A轉(zhuǎn)換器很容易地實(shí)現(xiàn)完整溫度變送器電路設(shè)計(jì)。
　　
　　結(jié)語

　　D-S A/D轉(zhuǎn)換器適合于高分辨力、低功耗的測量系統(tǒng)應(yīng)用。MCP3421作為一款18位分辨率、高集成度、小型封裝的D-S A/D轉(zhuǎn)換器，可以應(yīng)用于溫度、壓力、流量等工業(yè)控制，以及測試/測量的應(yīng)用中。簡單、靈活的電路設(shè)計(jì)可以大大提高測量的精度和穩(wěn)定性，并降低硬件成本，提高產(chǎn)品的性價(jià)比。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1.  Microchip Technology.18-Bit Analog-to-Digital Converter with  I2C Interface and On-Board Reference. DS22003B

　　2.  Microchip Technology.MCP3421 SOT-23-6 Evaluation Board User誷 Guide.