LTC1293/LTC1294/LTC1296：單芯片12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的深度解析

在電子設(shè)計領(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://www.greenbey.cn/analog/" target="_blank">模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，為后續(xù)的處理和分析提供基礎(chǔ)。今天，我們就來深入探討一下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?開關(guān)電容技術(shù)，可進行12位單極性或11位加符號雙極性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)器件空閑時可以進行掉電操作，其中LTC1296還包含一個系統(tǒng)關(guān)斷輸出引腳，可用于在輸入多路復(fù)用器之前對外部電路（如信號調(diào)理電路）進行掉電操作。

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)實際需求靈活選擇。
• 輸入模式：提供差分/單端輸入選項，滿足不同的信號采集需求。
• 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并行端口進行4線接口，方便與微處理器進行通信。

性能特性

• 高吞吐量：最大吞吐量速率可達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)換時間為12μs（在全溫度范圍內(nèi)），保證數(shù)據(jù)采集的實時性。
• 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通過同步、半雙工單線串行接口與微處理器和其他外部電路進行通信。時鐘（CLK）同步數(shù)據(jù)傳輸，每個位在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CS、CLK和DATA（DIN/DOUT）三根線進行傳輸。

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求轉(zhuǎn)換的多路復(fù)用器配置。對于給定的通道選擇，轉(zhuǎn)換器將測量所選行中由 + 和 - 符號指示的兩個通道之間的電壓。在差分模式下，測量限于四個相鄰輸入對，具有任意極性；在單端模式下，所有輸入通道相對于COM進行測量。

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，對所選輸入電壓進行單極性轉(zhuǎn)換；當(dāng)UNI為邏輯0時，進行雙極性轉(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，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，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)斷功能通過將PS位設(shè)置為邏輯0來激活。如果在接收到PS位后CS保持低電平，將移出一個全為邏輯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CS周期。

應(yīng)用信息

微處理器接口

LTC1293/4/6可以直接（無需外部硬件）與大多數(shù)流行的微處理器（MPU）同步串行格式進行接口。如果使用沒有專用串行端口的MPU，可以將MPU的三個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接地技術(shù)，避免使用繞線技術(shù)進行面包板和評估。為了實現(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)通過一個最小22μF的鉭電容直接旁路到接地平面，并使用一個0.1μF的陶瓷圓盤電容進行高頻旁路。

旁路

為了獲得良好的性能，VCC必須無噪聲和紋波。在轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，VCC電壓相對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^將VCC引腳直接旁路到模擬接地平面來保持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關(guān)輸入電流尖峰。這些電流尖峰很快就會穩(wěn)定，不會造成問題。如果使用大的源電阻或慢速穩(wěn)定的運算放大器驅(qū)動輸入，需要確保由電流尖峰引起的瞬態(tài)在轉(zhuǎn)換開始之前完全穩(wěn)定。

源電阻

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

輸入運算放大器

當(dāng)使用運算放大器驅(qū)動模擬輸入時，重要的是運算放大器要在允許的時間內(nèi)穩(wěn)定?？梢酝ㄟ^延長“+”和“ - ”輸入的采樣時間來適應(yīng)較慢的運算放大器。大多數(shù)運算放大器，包括LT1006和LT1013單電源運算放大器，都可以在最大時鐘速率為1MHz時的最小穩(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)對輸入進行濾波。對于大的CF值（例如1μF），電容性輸入開關(guān)電流會被平均為凈直流電流。應(yīng)選擇一個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

如果源電阻過大，輸入泄漏電流也會產(chǎn)生誤差。例如，在125°C時，最大輸入泄漏規(guī)格為1μA，通過1kΩ的源電阻會導(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。在差分輸入情況下，A/D轉(zhuǎn)換的是兩個電壓之間的差值，“ - ”引腳的電壓必須在整個轉(zhuǎn)換時間內(nèi)保持恒定，無噪聲和紋波。

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。參考輸入由于開關(guān)電容轉(zhuǎn)換技術(shù)而具有瞬態(tài)電容性開關(guān)電流。如果使用慢速穩(wěn)定的電路驅(qū)動參考輸入，需要確保由這些電流尖峰引起的瞬態(tài)在每個轉(zhuǎn)換位測試期間完全穩(wěn)定。

降低參考操作

通過減小轉(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，需要考慮偏移和噪聲等因素。

過壓保護

將超過正電源或低于V - 的信號應(yīng)用到LTC1293/4/6的模擬輸入會降低A/D的精度，并可能損壞設(shè)備?？梢酝ㄟ^適當(dāng)?shù)碾娫磁判蚧蚴褂猛獠侩娐穪磴Q位或限制輸入源的電流來防止這種情況發(fā)生。

典型應(yīng)用

數(shù)字線性化鉑電阻溫度傳感器信號調(diào)理器

該應(yīng)用使用LTC1294對鉑電阻溫度傳感器的信號進行采集和處理，通過線性化算法將溫度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

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)每兩秒訪問一次，使用LTC1294進行數(shù)據(jù)采集，并通過光隔離器實現(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)計過程中，需要充分考慮其電氣特性、接口要求和應(yīng)用注意事項，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在實際應(yīng)用中是否遇到過類似的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)？你對它們的性能和使用體驗有什么看法呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。