LTC1293/LTC1294/LTC1296：單芯片12位數據采集系統的深度解析

在電子設計領域，數據采集系統是至關重要的一環，它能夠將模擬信號轉換為數字信號，為后續的處理和分析提供基礎。今天，我們就來深入探討一下Linear Technology公司的LTC1293/LTC1294/LTC1296單芯片12位數據采集系統。

文件下載：LTC1294.pdf

產品概述

LTC1293/LTC1294/LTC1296是一系列包含串行I/O逐次逼近型A/D轉換器的數據采集系統。它們采用LTCMOS?開關電容技術，可進行12位單極性或11位加符號雙極性A/D轉換。輸入多路復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。在低功耗應用中，當器件空閑時可以進行掉電操作，其中LTC1296還包含一個系統關斷輸出引腳，可用于在輸入多路復用器之前對外部電路（如信號調理電路）進行掉電操作。

產品特性

軟件可編程特性

• 極性轉換：支持單極性/雙極性轉換，可根據實際需求靈活選擇。
• 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。
• 數據序列：支持MSB優先或MSB/LSB數據序列，方便與不同的系統進行接口。
• 電源管理：具備電源關斷功能，可有效降低功耗。
• 采樣保持：內置采樣保持電路，確保信號采集的準確性。

電源特性

支持單電源5V或±5V操作，適應不同的電源環境。

接口特性

可直接與大多數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，能夠滿足高速數據采集的需求。
• 快速轉換：最大轉換時間為12μs（在全溫度范圍內），保證數據采集的實時性。
• 低功耗：電源電流僅為6.0mA，降低了系統的功耗。

關鍵規格

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）同步數據傳輸，每個位在CLK下降沿傳輸，在上升沿捕獲。輸入數據先被接收，然后A/D轉換結果被傳輸（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。

輸入數據字

多路復用器地址

輸入字中跟隨起始位的四位分配了請求轉換的多路復用器配置。對于給定的通道選擇，轉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/雙極性轉換

UNI位決定轉換是單極性還是雙極性。當UNI為邏輯1時，對所選輸入電壓進行單極性轉換；當UNI為邏輯0時，進行雙極性轉換。

MSB優先/LSB優先

MSBF位用于編程LTC1293/4/6的輸出數據為MSB優先或LSB優先序列。當MSBF為邏輯1時，數據以MSB優先格式出現在Dout線上；當MSBF為邏輯0時，LSB優先數據跟隨正常的MSB優先數據出現在Dout線上。

電源關斷

LTC1293/4/6的電源關斷功能通過將PS位設置為邏輯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變為高電平。然后Dout線將進入高阻抗狀態。LTC 1293/4/6將保持在關斷模式，直到下一個CS周期。

應用信息

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應使用模擬接地平面和單點接地技術，避免使用繞線技術進行面包板和評估。為了實現最佳性能，建議使用PC板。模擬接地引腳（AGND）應直接連接到接地平面，數字接地引腳（DGND）也可以直接連接到該接地引腳。VCC應通過一個最小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。在轉換周期內，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轉換技術，LTC1293/4/6的模擬輸入具有電容性開關輸入電流尖峰。這些電流尖峰很快就會穩定，不會造成問題。如果使用大的源電阻或慢速穩定的運算放大器驅動輸入，需要確保由電流尖峰引起的瞬態在轉換開始之前完全穩定。

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。CIN在每個轉換周期內會在（+）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的時間內完全穩定。

輸入運算放大器

當使用運算放大器驅動模擬輸入時，重要的是運算放大器要在允許的時間內穩定?？梢酝ㄟ^延長“+”和“ - ”輸入的采樣時間來適應較慢的運算放大器。大多數運算放大器，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時的最小穩定窗口（“+”輸入為2.5μs，“ - ”輸入為1μs）內穩定。

RC輸入濾波

可以使用RC網絡對輸入進行濾波。對于大的CF值（例如1μF），電容性輸入開關電流會被平均為凈直流電流。應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生誤差。例如，在125°C時，最大輸入泄漏規格為1μA，通過1kΩ的源電阻會導致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置采樣保持（S&H）功能。采樣保持允許LTC1293/4/6轉換快速變化的信號。在差分輸入情況下，A/D轉換的是兩個電壓之間的差值，“ - ”引腳的電壓必須在整個轉換時間內保持恒定，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轉換器的電壓跨度。參考輸入由于開關電容轉換技術而具有瞬態電容性開關電流。如果使用慢速穩定的電路驅動參考輸入，需要確保由這些電流尖峰引起的瞬態在每個轉換位測試期間完全穩定。

降低參考操作

通過減小轉換器的輸入跨度，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 - 的信號應用到LTC1293/4/6的模擬輸入會降低A/D的精度，并可能損壞設備。可以通過適當的電源排序或使用外部電路來鉗位或限制輸入源的電流來防止這種情況發生。

典型應用

數字線性化鉑電阻溫度傳感器信號調理器

該應用使用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換為數字信號。

微功耗、5000V光隔離、多通道、12位數據采集系統

該系統每兩秒訪問一次，使用LTC1294進行數據采集，并通過光隔離器實現與外部電路的隔離。

總結

LTC1293/LTC1294/LTC1296單芯片12位數據采集系統具有豐富的功能和良好的性能，適用于各種數據采集應用。在設計過程中，需要充分考慮其電氣特性、接口要求和應用注意事項，以確保系統的穩定性和可靠性。你在實際應用中是否遇到過類似的數據采集系統？你對它們的性能和使用體驗有什么看法呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。