低成本雙通道±14位串行ADC：MAX110/MAX111深度解析

在電子設(shè)計領(lǐng)域，模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而ADC（模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器）的性能直接影響到整個系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。今天我們來深入了解一下MAXIM公司的兩款低成本、雙通道、±14位串行ADC——MAX110和MAX111。

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一、產(chǎn)品概述

MAX110和MAX111采用內(nèi)部自動校準(zhǔn)技術(shù)，無需外部組件即可實現(xiàn)14位分辨率加超量程功能。它們的工作電源電流極低，MAX110僅為550μA，在掉電模式下可降至4μA，非常適合高分辨率電池供電或遠(yuǎn)程傳感應(yīng)用。其快速串行接口簡化了信號路由和光隔離，節(jié)省了微控制器引腳，并且與SPI?、QSPI?和MICROWIRE?兼容。

1. 供電與輸入范圍

MAX110使用±5V電源，可轉(zhuǎn)換 -3V至 +3V范圍內(nèi)的差分模擬信號；MAX111使用單 +5V電源，可轉(zhuǎn)換±1.5V范圍內(nèi)的差分模擬信號，或0V至 +1.5V范圍內(nèi)的單端信號。

2. 封裝形式

兩款器件均提供節(jié)省空間的16引腳DIP和SO封裝，以及更小的20引腳SSOP封裝，方便不同應(yīng)用場景的選擇。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

MAX110/MAX111的應(yīng)用范圍廣泛，包括過程控制、稱重秤、面板儀表、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和溫度測量等。在這些應(yīng)用中，其高精度和低功耗的特性能夠滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集的要求。

三、產(chǎn)品特性

1. 電源與分辨率

• 電源：MAX111采用單 +5V電源，使用更方便。
• 分辨率：具備14位分辨率加符號和超量程功能，能夠提供高精度的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

2. 線性度

• MAX110的線性度為0.03%，MAX111為0.05%，保證了轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3. 低功耗

• 工作電流低，MAX110為550μA，MAX111為640μA，掉電電流僅為4μA，適合電池供電設(shè)備。

4. 轉(zhuǎn)換速度

最高可達(dá)50次轉(zhuǎn)換/秒，能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用的實時性要求。

5. 抗干擾能力

具有50Hz/60Hz抑制能力，減少了電源干擾對轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響。

6. 自動校準(zhǔn)

支持自動校準(zhǔn)模式，無需外部組件，可在微處理器控制下進(jìn)行偏移和增益誤差校正。

四、電氣特性

1. 精度相關(guān)

• 分辨率：均為14 + POL + OFL位，其中32,768 LSBs覆蓋 ±VREF的輸入電壓范圍（15位），當(dāng)VIN > VREF時，額外的OFL位會被設(shè)置。
• 微分非線性（DNL）：小于 ±2 LSB，主要誤差來源是噪聲，可通過平均進(jìn)一步改善。
• 相對精度（INL）：不同型號和輸入范圍下有所不同，如MAX110AC/E在 -VREF ≤VIN ≤VREF范圍內(nèi)為 ±0.03%，在 -0.83 x VREF ≤VIN ≤0.83 x VREF范圍內(nèi)為 ±0.015%。

2. 輸入特性

• 模擬輸入：差分輸入電壓范圍為 -VREF至 +VREF，絕對輸入電壓范圍根據(jù)不同型號有所不同。輸入偏置電流為500nA，輸入電容為10pF。
• 參考輸入：差分參考輸入電壓范圍和絕對參考輸入電壓范圍也因型號而異，參考輸入電流為500nA，參考輸入電容為10pF。

3. 轉(zhuǎn)換時間

同步轉(zhuǎn)換時間可通過控制位CONV1 - CONV4設(shè)置，有10,240、20,480、81,920和102,400時鐘周期/轉(zhuǎn)換等多種選擇，對應(yīng)的標(biāo)稱轉(zhuǎn)換時間分別為20.48ms、40.96ms、163.84ms和204.80ms。

4. 數(shù)字輸入輸出

• 輸入：輸入高電壓為2.4V，輸入低電壓為0.8V，輸入電容為10pF，輸入泄漏電流為 ±1μA。
• 輸出：輸出低電壓為0.4V，輸出高電壓為VDD - 0.5V，泄漏電流為 ±10μA，輸出電容為10pF。

5. 電源要求

• 正電源電壓范圍為4.75V至5.25V，負(fù)電源電壓范圍（MAX110）為 -4.75V至 -5.25V。
• 正電源電流在不同工作模式下有所不同，如連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，MAX110為550 - 950μA，MAX111為640 - 1200μA，掉電電流均為4 - 10μA。

五、工作原理

MAX110/MAX111采用一階sigma - delta環(huán)路將低頻模擬信號轉(zhuǎn)換為16位串行數(shù)字輸出（14位數(shù)據(jù)位、1位符號位和1位超量程位）。差分輸入電壓通過內(nèi)部的精密電壓 - 電流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電流，經(jīng)過積分和比較后，驅(qū)動上下計數(shù)器和1位DAC，最終完成轉(zhuǎn)換。

1. 過采樣時鐘

XCLK內(nèi)部連接到時鐘頻率分頻網(wǎng)絡(luò)，其輸出作為ADC的過采樣時鐘fOSC。可選擇內(nèi)部RC振蕩器或外部時鐘作為時鐘源，并可將其分頻為1、2或4倍。

2. 轉(zhuǎn)換過程

在轉(zhuǎn)換過程中，比較器輸出是一個VREF到VREF +的方波，其占空比與輸入差分電壓的大小成正比。上下計數(shù)器以過采樣時鐘速率對比較器輸出進(jìn)行計數(shù)，并對脈寬調(diào)制（PWM）方波進(jìn)行平均，得到轉(zhuǎn)換結(jié)果。

六、數(shù)字接口與操作

1. 啟動轉(zhuǎn)換

通過拉低CS并在SCLK上施加串行時鐘，數(shù)據(jù)可以在串行I/O移位寄存器中進(jìn)行傳輸。輸出數(shù)據(jù)在SCLK的下降沿時鐘輸出，應(yīng)在SCLK的上升沿讀取；輸入數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿時鐘輸入。當(dāng)CS返回高電平且輸入控制字的MSB（NO - OP）為1時，開始新的轉(zhuǎn)換。

2. 與串行接口的兼容性

MAX110/MAX111與SPI、QSPI（CPHA = 0，CPOL = 0）和MICROWIRE串行接口標(biāo)準(zhǔn)兼容，方便與微處理器進(jìn)行連接。

3. I/O移位寄存器

使用16位全靜態(tài)移位寄存器進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸，控制字的MSB（NO - OP）決定是否將控制字傳輸?shù)娇刂萍拇嫫鞑有碌霓D(zhuǎn)換。

七、校準(zhǔn)與編程

1. 3步校準(zhǔn)

為了獲得最佳性能，需要對ADC進(jìn)行校準(zhǔn)，包括偏移校正和增益校準(zhǔn)。具體步驟如下：

• 步驟1：設(shè)置新的轉(zhuǎn)換速度（如有需要），并將內(nèi)部ADC輸入短路到REF - 進(jìn)行偏移校正轉(zhuǎn)換，結(jié)果存儲在零寄存器中。
• 步驟2：以零寄存器的內(nèi)容為起始值進(jìn)行增益校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，結(jié)果存儲在校準(zhǔn)寄存器中。
• 步驟3：將內(nèi)部ADC輸入短路到所選輸入通道的負(fù)輸入（IN1 - 或IN2 - ）進(jìn)行偏移歸零轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行第一次信號轉(zhuǎn)換。

2. 編程轉(zhuǎn)換時間

通過控制寄存器的9 - 12位（CONV1 - CONV4）控制每個轉(zhuǎn)換所需的過采樣時鐘周期數(shù)，從而確定轉(zhuǎn)換時間和分辨率。

3. 選擇過采樣時鐘頻率

過采樣頻率fOSC的選擇對相對精度性能有重要影響，最佳頻率范圍為450kHz至700kHz。可通過設(shè)置DV2和DV4位來編程時鐘頻率分頻網(wǎng)絡(luò)。

4. 50Hz/60Hz線頻率抑制

通過選擇合適的過采樣時鐘頻率和時鐘周期/轉(zhuǎn)換設(shè)置，使轉(zhuǎn)換時間等于線周期的整數(shù)倍，可實現(xiàn)對50Hz或60Hz的高抑制。

八、應(yīng)用信息

1. 布局、接地和旁路

為了減少噪聲，每個電源應(yīng)通過0.1μF電容旁路到GND，并在模擬電路下方放置接地平面。同時，應(yīng)盡量將數(shù)字線路遠(yuǎn)離模擬組件和線路。

2. 電容負(fù)載效應(yīng)

在使用內(nèi)部RC振蕩器時，應(yīng)盡量減小XCLK引腳的電容負(fù)載，以避免VDD功耗增加。

3. 外部參考

ADC的參考輸入具有高阻抗，可用于外部電壓參考和比例應(yīng)用，無需考慮負(fù)載效應(yīng)。

4. 應(yīng)用案例

• 稱重秤應(yīng)用：MAX111的全差分模擬信號和參考輸入使其易于與具有差分輸出的傳感器（如負(fù)載細(xì)胞）接口，無需差分放大器。
• 熱電偶電路：通過軟件補償可消除熱電偶測量中的溫度相關(guān)誤差，實現(xiàn)準(zhǔn)確的溫度測量。

九、訂購信息

MAX110和MAX111提供多種溫度范圍和封裝形式可供選擇，用戶可根據(jù)實際需求進(jìn)行訂購。

總之，MAX110/MAX111是兩款性能優(yōu)異的低成本ADC，在精度、功耗和接口兼容性等方面都表現(xiàn)出色。電子工程師在設(shè)計相關(guān)系統(tǒng)時，可以根據(jù)具體應(yīng)用場景充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢，實現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集。你在使用這類ADC時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。