探索LTC2415/LTC2415 - 1：24位無延遲?Σ ADC的卓越性能與應(yīng)用

引言

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)中，高精度模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）是至關(guān)重要的元件，它直接影響著系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理精度。今天，我們要深入了解 Linear Technology 公司的 LTC2415/LTC2415 - 1 這兩款 24 位無延遲?Σ ADC，它們在性能上有著諸多突出特點(diǎn)，適用于各種對精度要求極高的應(yīng)用場景。

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產(chǎn)品概述

LTC2415/LTC2415 - 1 是微功耗 24 位差分?Σ ADC，集成了振蕩器，具有 2ppm 的積分非線性（INL）、0.23ppm 的均方根（RMS）噪聲，并且工作電源范圍為 2.7V 至 5.5V。它們采用了先進(jìn)的 delta - sigma 技術(shù)，為多路復(fù)用應(yīng)用提供單周期穩(wěn)定時(shí)間。這兩款 ADC 的一大亮點(diǎn)是具有兩倍于 LTC2410/LTC2413 的速度，LTC2415 輸出速率可達(dá) 15Hz，具有 50Hz 或 60Hz 陷波功能；LTC2415 - 1 輸出速率為 13.75Hz，可同時(shí)實(shí)現(xiàn) 50Hz/60Hz 陷波。

關(guān)鍵特性剖析

性能指標(biāo)出色

• 高精度：具備 2ppm 的 INL，無漏碼，2.5ppm 的增益誤差和 0.23ppm 的噪聲，能為我們提供極其精確的轉(zhuǎn)換結(jié)果，滿足各種高精度測量的需求。在需要對微弱信號進(jìn)行精確測量的場景中，如傳感器數(shù)據(jù)采集，這些高精度特性就顯得尤為重要。
• 低功耗：單電源 2.7V 至 5.5V 供電，低電源電流僅 200μA，并且支持自動(dòng)關(guān)機(jī)功能，這對于那些對功耗敏感的應(yīng)用，如電池供電設(shè)備，能夠有效延長設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。

靈活的輸入與參考設(shè)計(jì)

• 差分輸入與參考：采用差分輸入和差分參考，具有從 GND 到 (V_{CC}) 的共模范圍，能夠有效抑制共模干擾，提高信號的抗干擾能力。在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，差分信號的優(yōu)勢能夠得到充分體現(xiàn)。
• 寬參考電壓范圍：可接受任何從 0.1V 到 (V_{CC}) 的外部差分參考電壓，為靈活的比率測量和遠(yuǎn)程傳感測量配置提供了可能。不同的參考電壓選擇可以適應(yīng)不同的測量需求，增加了設(shè)計(jì)的靈活性。

方便易用的接口

• 3 線數(shù)字接口：通過靈活的 3 線數(shù)字接口進(jìn)行通信，兼容 SPI 和 MICROWIRE 協(xié)議，方便與各種微處理器和微控制器進(jìn)行連接，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以很輕松地將其與常用的微控制器集成在一起。

工作原理與模式

操作周期

LTC2415/LTC2415 - 1 的操作由轉(zhuǎn)換、睡眠和數(shù)據(jù)輸出三個(gè)狀態(tài)組成。轉(zhuǎn)換完成后自動(dòng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，當(dāng) CS 引腳被拉低時(shí)，開始輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果，數(shù)據(jù)輸出無延遲，與當(dāng)前轉(zhuǎn)換結(jié)果一一對應(yīng)。通過合理控制 CS 和 SCK 引腳的時(shí)序，可以實(shí)現(xiàn)多種靈活的操作模式，如內(nèi)部或外部 SCK 模式以及自由運(yùn)行轉(zhuǎn)換模式，而無需編程配置寄存器，這大大提高了使用的便捷性。

時(shí)鐘模式

• 內(nèi)部振蕩器：集成的高精度內(nèi)部振蕩器無需外部頻率設(shè)置組件，如晶體或振蕩器。LTC2415 在 50Hz 或 60Hz ±2% 的線頻率下可實(shí)現(xiàn)至少 110dB 的抑制，LTC2415 - 1 則可在 50Hz ±2% 和 60Hz ±2% 同時(shí)實(shí)現(xiàn)至少 87dB 的抑制，有效減少了外界干擾對測量結(jié)果的影響。
• 外部時(shí)鐘：當(dāng)需要不同的基本抑制頻率或與外部源同步時(shí)，可使用外部轉(zhuǎn)換時(shí)鐘。通過將外部時(shí)鐘信號連接到 (F{0}) 引腳，轉(zhuǎn)換器會(huì)自動(dòng)檢測并關(guān)閉內(nèi)部振蕩器，在 (f{EOSC}/2560 ±4%) 的頻率范圍內(nèi)提供優(yōu)于 110dB 的正常模式抑制。

應(yīng)用信息解析

輸入與輸出范圍

• 輸入范圍：模擬輸入為真正的差分輸入，輸入引腳的絕對/共模范圍從 GND - 0.3V 到 (V{CC}+0.3V)，在有效范圍內(nèi)可將 -0.5 (V{REF}) 到 0.5 (V_{REF}) 的雙極差分輸入信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，超出范圍會(huì)有相應(yīng)的過范圍或欠范圍輸出代碼指示。在實(shí)際應(yīng)用中，我們要注意輸入信號的范圍，避免超出規(guī)定范圍導(dǎo)致測量誤差。
• 輸出格式：串行輸出數(shù)據(jù)流為 32 位，前 3 位為狀態(tài)信息，接下來 24 位為轉(zhuǎn)換結(jié)果（MSB 優(yōu)先），剩余 5 位為 24 位以下的子 LSB，可用于平均處理或直接丟棄而不損失分辨率。通過對輸出格式的了解，我們可以正確解讀轉(zhuǎn)換結(jié)果，提取有用信息。

  頻率抑制選擇

• LTC2415：通過將 (F{0}) 引腳連接到 (V{CC}) 或 GND 可分別選擇 50Hz 或 60Hz 的抑制，也可使用外部時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)不同頻率的抑制。在選擇頻率抑制時(shí)，我們要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景中的干擾頻率進(jìn)行合理配置。
• LTC2415 - 1：將 (F_{0}) 引腳連接到 GND 可實(shí)現(xiàn) 50Hz/60Hz 的同時(shí)抑制，通過對兩個(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行平均，可實(shí)現(xiàn)更好的抑制效果，同時(shí)提高吞吐量。這種平均處理的方法在實(shí)際應(yīng)用中可以有效提高抗干擾能力。

  串行接口時(shí)序模式

  提供多種靈活的串行接口時(shí)序模式，包括外部/內(nèi)部串行時(shí)鐘、2 線或 3 線 I/O、單周期轉(zhuǎn)換和自動(dòng)啟動(dòng)模式。不同的模式適用于不同的應(yīng)用場景，如外部串行時(shí)鐘單周期操作模式適用于需要精確控制轉(zhuǎn)換周期的場景，而內(nèi)部串行時(shí)鐘 2 線 I/O 連續(xù)轉(zhuǎn)換模式則可簡化用戶界面或隔離屏障。在設(shè)計(jì)過程中，我們要根據(jù)系統(tǒng)的需求選擇合適的時(shí)序模式。

精度保持與應(yīng)用電路示例

精度保持

為了保證 LTC2415/LTC2415 - 1 的高精度性能，我們需要注意一些設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。例如，數(shù)字信號應(yīng)驅(qū)動(dòng)到全 CMOS 電平，以減少額外電流的消耗；避免快速數(shù)字信號的過沖和下沖對模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換過程的干擾，可通過合理選擇電阻、終止傳輸線或降低控制信號的邊緣速率來解決。在輸入和參考引腳的驅(qū)動(dòng)方面，要考慮源阻抗和采樣電容的影響，確保信號能夠準(zhǔn)確采樣。對于輸入和參考電流，要根據(jù)不同的電容值選擇合適的源阻抗，以減少增益和偏移誤差。

應(yīng)用電路示例

文檔中給出了多個(gè)應(yīng)用電路示例，如使用差分多路復(fù)用器擴(kuò)展通道能力、68HC11 微控制器與 LTC2415/LTC2415 - 1 的 SPI 接口連接示例以及相關(guān)的匯編代碼，還有實(shí)現(xiàn)相關(guān)雙采樣的電路示例等。這些示例為我們在實(shí)際應(yīng)用中提供了很好的參考，我們可以根據(jù)具體需求進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷暮驼{(diào)整。

總結(jié)

LTC2415/LTC2415 - 1 以其高精度、低功耗、靈活的輸入輸出和接口設(shè)計(jì)等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為電子工程師在高精度數(shù)據(jù)采集和處理領(lǐng)域的理想選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，我們要充分理解其工作原理、特性和應(yīng)用信息，注意精度保持的相關(guān)細(xì)節(jié)，參考應(yīng)用電路示例，以實(shí)現(xiàn)最佳的系統(tǒng)性能。你在使用類似 ADC 時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。