深入了解LTC1091/LTC1092/LTC1093/LTC1094數據采集系統

在電子工程師的日常設計工作中，數據采集系統是一個關鍵的組成部分。今天我們要詳細探討的是 Linear Technology 公司的 LTC1091/LTC1092/LTC1093/LTC1094 系列 10 位數據采集系統，它們在模擬數據數字化處理方面有著出色的表現。

文件下載：LTC1092ACN8#PBF.pdf

一、產品概述

LTC1091/LTC1092/LTC1093/LTC1094 是 10 位數據采集系統，適用于從各種信號源和傳感器中數字化模擬數據。這些器件圍繞 10 位開關電容逐次逼近 A/D 內核構建，內置軟件可配置的模擬多路復用器、雙極性和單極性轉換模式以及片上采樣保持電路。片上串行端口能高效地將數據傳輸到各種微處理器和微控制器中。它們不僅能在比例應用中提供完整的數據采集系統，還能在其他應用中與外部參考配合使用。

二、產品特性

1. 可編程特性豐富
   • 支持單極性/雙極性轉換，以及差分/單端多路復用器配置，工程師可以根據不同的應用需求靈活選擇轉換模式和多路復用器配置。
   • 具備采樣保持功能，能夠對快速變化的信號進行準確采集。
2. 電源靈活性高
   • 可采用單電源 5V、10V 或 ±5V 供電，適應不同的電源環境。
3. 通信接口便捷
   • 能直接通過 3 線或 4 線與大多數 MPU 串行端口和所有 MPU 并行 I/O 端口相連，實現高效的數據傳輸。
4. 高精度與高性能
   • 模擬輸入共模范圍可達電源軌，分辨率為 10 位，能滿足較高的精度要求。
   • A 級器件在全溫度范圍內的總未調整誤差為 ±1LSB，溫度漂移極低，典型的失調、線性度和滿量程誤差溫度漂移僅為 1ppm/°C。
   • 轉換時間快，僅需 20μs，可快速完成數據采集。
5. 低功耗設計
   • LTC1091 的最大電源電流為 3.5mA，典型值為 1.5mA；LTC1092/LTC1093/LTC1094 的最大電源電流為 2.5mA，典型值為 1mA，適合對功耗有要求的應用場景。

三、引腳功能

不同型號的引腳功能有所不同，下面分別介紹：

1. LTC1091/LTC1092
   • CS（引腳 1）：芯片選擇輸入，低電平有效，用于使能器件。
   • CH0、CH1/+IN、–IN（引腳 2、3）：模擬輸入引腳，輸入信號需相對于 GND 無噪聲。
   • GND（引腳 4）：模擬地，應直接連接到模擬接地平面。
   • DIN（引腳 5）（LTC1091）：數字數據輸入，用于輸入多路復用器地址。
   • VREF（引腳 5）（LTC1092）：參考輸入，定義 A/D 轉換器的量程，需相對于 AGND 無噪聲。
   • DOUT（引腳 6）：數字數據輸出，輸出 A/D 轉換結果。
   • CLK（引腳 7）：移位時鐘，同步串行數據傳輸。
   • VCC(VREF)（引腳 8）（LTC1091）：正電源和參考電壓，需通過旁路電容直接連接到模擬接地平面，以消除噪聲和紋波。
   • VCC（引腳 8）（LTC1092）：正電源電壓，同樣需進行旁路處理。
2. LTC1093/LTC1094
   • CH0 至 CH5/CH0 至 CH7（引腳 1 至 6/引腳 1 至 8）：模擬輸入引腳，輸入信號需相對于 AGND 無噪聲。
   • COM（引腳 7/引腳 9）：公共端，定義所有單端輸入的零參考點，需無噪聲，通常連接到模擬接地平面。
   • DGND（引腳 8/引腳 10）：數字地，為內部邏輯提供接地。
   • V–（引腳 9/引腳 11）：負電源，在單電源應用中可接地。
   • AGND（引腳 10/引腳 12）：模擬地，應直接連接到模擬接地平面。
   • VREF（引腳 11）（LTC1093）：參考輸入，需相對于 AGND 無噪聲。
   • REF+、REF–（引腳 13、14）（LTC1094）：參考輸入，同樣需無噪聲。
   • DIN（引腳 12/引腳 15）：數據輸入，用于輸入 A/D 配置字。
   • DOUT（引腳 13/引腳 16）：數字數據輸出，輸出 A/D 轉換結果。
   • CS（引腳 14/引腳 17）：芯片選擇輸入，低電平有效。
   • CLK（引腳 15/引腳 18）：移位時鐘，同步串行數據傳輸。
   • VCC（引腳 16）（LTC1093）：正電源，需進行旁路處理。
   • AVCC、DVCC（引腳 19、20）（LTC1094）：正電源，應連接在一起并進行旁路處理。

四、數字方面的考慮

1. 串行接口
   • LTC1091/LTC1093/LTC1094 通過同步、半雙工的 4 線串行接口與微處理器和其他外部電路通信，而 LTC1092 使用 3 線接口。時鐘（CLK）同步數據傳輸，每個位在 CLK 下降沿發送，在上升沿捕獲。
   • 數據傳輸由片選信號（CS）的下降沿啟動。LTC1091/LTC1093/LTC1094 先接收輸入數據，然后返回 A/D 轉換結果。由于是半雙工操作，DIN 和 DOUT 可以連接在一起，通過 CS、CLK 和 DATA（DIN/DOUT）三根線進行傳輸。
   • LTC1092 無需配置輸入字，CS 下降沿啟動數據傳輸，第一個 CLK 脈沖使能 DOUT，經過一個空比特后，輸出 A/D 轉換結果。
2. 輸入數據字
   • LTC1092 無需 DIN 字，永久配置為單差分輸入和單極性模式，轉換結果以 MSB 優先或 LSB 優先的順序輸出。
   • LTC1091/LTC1093/LTC1094 的輸入數據字定義不同。LTC1091 的輸入數據字包含 START、SGL/DIFF、ODD/SIGN、MSBF、MUX ADDRESS 等位；LTC1093/LTC1094 的輸入數據字包含 START、SELECT 1、SELECT 0、UNI、MSBF、SGL/DIFF、ODD/SIGN、MUX ADDRESS 等位。
3. 適應不同字長的微處理器
   • LTC1091/LTC1093/LTC1094 在傳輸數據后會持續填充零，直到 CS 變為高電平，此時 DOUT 線禁用。這使得它們能夠方便地與不同傳輸增量的 MPU 串行端口接口，如 4 位和 8 位端口。
4. DIN 和 DOUT 連接在一起的操作
   • LTC1091/LTC1093/LTC1094 可以將 DIN 和 DOUT 連接在一起，減少與 MPU 通信所需的線路。處理器連接到該數據線的引腳應可配置為輸入或輸出。例如，LTC1091 在收到起始位后的第 4 個 CLK 下降沿會控制數據線并將其拉低，因此處理器端口線必須在此之前切換為輸入。
5. 微處理器接口
   • 這些器件可以直接與大多數流行的微處理器同步串行格式接口，無需外部硬件。如果使用沒有專用串行端口的 MPU，可以將其并行端口的三到四根線編程為與 LTC1091/LTC1092/LTC1093/LTC1094 形成串行鏈路。文檔中給出了與摩托羅拉 SPI（如 MC68HC05C4）和英特爾 8051 系列并行端口接口的示例。

五、模擬方面的考慮

1. 接地
   • 建議使用模擬接地平面和單點接地技術。AGND 引腳（LTC1091/LTC1092 上的 GND）應直接連接到接地平面，DGND 引腳也可直接連接。VCC 引腳應通過 4.7μF 鉭電容旁路到接地平面，AVCC 和 DVCC 在 LTC1094 上應連接在一起，V–引腳應通過 0.1μF 陶瓷圓盤電容旁路。
2. 旁路
   • VCC 必須無噪聲和紋波，否則會在轉換周期中引入誤差或噪聲。LTC1091 的 VCC(VREF)引腳定義了 A/D 轉換器的電壓量程，其旁路尤為重要。通過使用 4.7μF 鉭電容將 VCC 引腳直接旁路到模擬接地平面，可以將噪聲和紋波保持在 1mV 以下。
3. 模擬輸入
   • 由于采用電容式再分配 A/D 轉換技術，模擬輸入存在電容式開關輸入電流尖峰。這些尖峰很快會穩定，但如果使用大源電阻或慢速穩定的運算放大器驅動輸入，需要確保在轉換開始前電流尖峰引起的瞬態完全穩定。
   • 模擬輸入等效為 60pF 電容（CIN）與 500Ω 電阻（RON）串聯，大的外部源電阻和電容會減慢輸入的穩定速度，因此需要確保整體 RC 時間常數足夠短，以允許模擬輸入在允許時間內完全穩定。
   • “+”輸入在采樣階段（tSMPL）必須完全穩定，可通過減小 RSOURCE+和 C1 或降低 CLK 頻率來改善輸入穩定時間。“–”輸入在轉換的第一個 CLK 周期內必須完全穩定且無噪聲，同樣可通過減小 RSOURCE–和 C2 或降低 CLK 頻率來實現。
   • 當使用運算放大器驅動模擬輸入時，運算放大器必須在允許時間內穩定。大多數運算放大器，如 LT1006 和 LT1013 單電源運算放大器，在最大時鐘速率 500kHz 下，即使在最小穩定窗口（“+”輸入 3μs，“–”輸入 2μs）內也能穩定。
   • 可以使用 RC 網絡對輸入進行濾波，選擇小電阻和大電容的濾波器可防止電阻上的直流壓降。輸入泄漏電流在源電阻過大時也會產生誤差，溫度降低時泄漏電流會迅速下降。
4. 采樣保持
   • 對于單端輸入，LTC1091/LTC1093/LTC1094 提供內置采樣保持功能，允許對快速變化的信號進行轉換。輸入電壓在 tSMPL 時間內采樣，采樣間隔從 MSBF 位前的位移入開始，到 MSBF 位收到后的 CLK 下降沿結束，此時采樣保持進入保持模式，轉換開始。
   • 對于差分輸入，A/D 轉換的是兩個電壓之間的差值。“+”輸入電壓可以快速變化，但“–”輸入電壓在整個轉換時間（10 個 CLK 周期）內必須保持恒定且無噪聲和紋波，否則會導致轉換誤差。
5. 參考輸入
   • 參考輸入之間的電壓定義了 A/D 轉換器的電壓量程。參考輸入主要表現為 10k 電阻，但由于開關電容轉換技術，會有瞬態電容式開關電流。在轉換的每個位測試（每個 CLK 周期）中，A/D 會在參考引腳上產生電容式電流尖峰，這些尖峰很快會穩定。
   • 驅動參考輸入時，應確保源電阻（ROUT）低于 1Ω，以防止最大 1mA 參考電流（IREF）引起的直流壓降。參考輸入上的瞬態必須在每個位測試中完全穩定，可使用較慢的 CLK 頻率來增加參考穩定時間。建議將 LTC1094 的 REF 輸入直接連接到模擬接地平面，且其電壓在轉換周期內不能變化，必須無噪聲和紋波。
6. 降低參考電壓操作
   • LTC1091 的最小參考電壓限制為 4.5V，因為 VCC 電源和參考內部相連。而 LTC1092/LTC1093/LTC1094 可以在低于 1V 的參考電壓下工作。
   • 通過減小轉換器的輸入量程，可以提高 LTC1092/LTC1093/LTC1094 的有效分辨率。但在低 VREF 值下操作時，需要考慮偏移、噪聲和轉換速度（CLK 頻率）等因素。偏移在低參考電壓下對輸出代碼的影響更大，可通過數字校正或偏移“–”輸入來解決。噪聲在低參考電壓下會成為 LSB 的較大部分，可能導致輸出代碼抖動，需要更干凈的無噪聲設置。低參考電壓下，LSB 步長減小，內部比較器過驅動減小，可能需要降低最大 CLK 頻率。

六、典型應用

文檔中給出了多個典型應用示例，包括 0°C 至 500°C 爐廢氣溫度監測、0°C 至 100°C 高精度熱敏電阻溫度測量系統、–55°C 至 125°C 溫度計以及微功耗、500V 光隔離多通道 10 位數據采集系統等。這些應用展示了 LTC1091/LTC1092/LTC1093/LTC1094 在不同場景下的實用性。

七、總結

LTC1091/LTC1092/LTC1093/LTC1094 系列數據采集系統具有豐富的可編程特性、高電源靈活性、便捷的通信接口、高精度和低功耗等優點。在設計過程中，需要充分考慮數字和模擬方面的各種因素，以確保系統的性能和穩定性。同時，通過參考典型應用示例，可以更好地將這些器件應用到實際項目中。大家在實際使用過程中，有沒有遇到過一些特殊的問題或者有獨特的應用經驗呢？歡迎在評論區分享。