探索LTC2415/LTC2415 - 1：24位無延遲?Σ ADC的卓越性能與應用

引言

在電子工程師的日常設計中，高精度模擬 - 數字轉換器（ADC）是至關重要的元件，它直接影響著系統的數據采集和處理精度。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，適用于各種對精度要求極高的應用場景。

文件下載：LTC2415.pdf

產品概述

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。它們采用了先進的 delta - sigma 技術，為多路復用應用提供單周期穩定時間。這兩款 ADC 的一大亮點是具有兩倍于 LTC2410/LTC2413 的速度，LTC2415 輸出速率可達 15Hz，具有 50Hz 或 60Hz 陷波功能；LTC2415 - 1 輸出速率為 13.75Hz，可同時實現 50Hz/60Hz 陷波。

關鍵特性剖析

性能指標出色

• 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換結果，滿足各種高精度測量的需求。在需要對微弱信號進行精確測量的場景中，如傳感器數據采集，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，并且支持自動關機功能，這對于那些對功耗敏感的應用，如電池供電設備，能夠有效延長設備的續航時間。

靈活的輸入與參考設計

• 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。在復雜的電磁環境中，差分信號的優勢能夠得到充分體現。
• 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不同的測量需求，增加了設計的靈活性。

方便易用的接口

• 3 線數字接口：通過靈活的 3 線數字接口進行通信，兼容 SPI 和 MICROWIRE 協議，方便與各種微處理器和微控制器進行連接，簡化了系統設計。在實際應用中，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 的操作由轉換、睡眠和數據輸出三個狀態組成。轉換完成后自動進入睡眠狀態，當 CS 引腳被拉低時，開始輸出轉換結果，數據輸出無延遲，與當前轉換結果一一對應。通過合理控制 CS 和 SCK 引腳的時序，可以實現多種靈活的操作模式，如內部或外部 SCK 模式以及自由運行轉換模式，而無需編程配置寄存器，這大大提高了使用的便捷性。

時鐘模式

• 內部振蕩器：集成的高精度內部振蕩器無需外部頻率設置組件，如晶體或振蕩器。LTC2415 在 50Hz 或 60Hz ±2% 的線頻率下可實現至少 110dB 的抑制，LTC2415 - 1 則可在 50Hz ±2% 和 60Hz ±2% 同時實現至少 87dB 的抑制，有效減少了外界干擾對測量結果的影響。
• 外部時鐘：當需要不同的基本抑制頻率或與外部源同步時，可使用外部轉換時鐘。通過將外部時鐘信號連接到 (F{0}) 引腳，轉換器會自動檢測并關閉內部振蕩器，在 (f{EOSC}/2560 ±4%) 的頻率范圍內提供優于 110dB 的正常模式抑制。

應用信息解析

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)，在有效范圍內可將 -0.5 (V{REF}) 到 0.5 (V_{REF}) 的雙極差分輸入信號進行轉換，超出范圍會有相應的過范圍或欠范圍輸出代碼指示。在實際應用中，我們要注意輸入信號的范圍，避免超出規定范圍導致測量誤差。
• 輸出格式：串行輸出數據流為 32 位，前 3 位為狀態信息，接下來 24 位為轉換結果（MSB 優先），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換結果，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，也可使用外部時鐘實現不同頻率的抑制。在選擇頻率抑制時，我們要根據實際應用場景中的干擾頻率進行合理配置。
• LTC2415 - 1：將 (F_{0}) 引腳連接到 GND 可實現 50Hz/60Hz 的同時抑制，通過對兩個連續轉換結果進行平均，可實現更好的抑制效果，同時提高吞吐量。這種平均處理的方法在實際應用中可以有效提高抗干擾能力。

  串行接口時序模式

  提供多種靈活的串行接口時序模式，包括外部/內部串行時鐘、2 線或 3 線 I/O、單周期轉換和自動啟動模式。不同的模式適用于不同的應用場景，如外部串行時鐘單周期操作模式適用于需要精確控制轉換周期的場景，而內部串行時鐘 2 線 I/O 連續轉換模式則可簡化用戶界面或隔離屏障。在設計過程中，我們要根據系統的需求選擇合適的時序模式。

精度保持與應用電路示例

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計細節。例如，數字信號應驅動到全 CMOS 電平，以減少額外電流的消耗；避免快速數字信號的過沖和下沖對模擬 - 數字轉換過程的干擾，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動方面，要考慮源阻抗和采樣電容的影響，確保信號能夠準確采樣。對于輸入和參考電流，要根據不同的電容值選擇合適的源阻抗，以減少增益和偏移誤差。

應用電路示例

文檔中給出了多個應用電路示例，如使用差分多路復用器擴展通道能力、68HC11 微控制器與 LTC2415/LTC2415 - 1 的 SPI 接口連接示例以及相關的匯編代碼，還有實現相關雙采樣的電路示例等。這些示例為我們在實際應用中提供了很好的參考，我們可以根據具體需求進行適當的修改和調整。

總結

LTC2415/LTC2415 - 1 以其高精度、低功耗、靈活的輸入輸出和接口設計等諸多優點，成為電子工程師在高精度數據采集和處理領域的理想選擇。在實際設計過程中，我們要充分理解其工作原理、特性和應用信息，注意精度保持的相關細節，參考應用電路示例，以實現最佳的系統性能。你在使用類似 ADC 時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和想法。