24位A/D转换器LTC2400及其应用

摘要：LTC2400是凌特公司（Linear）生产的一种微功能、高精度24位A/D转换器，该芯片内部集成有振荡器，工作电压为2.7～5.5V，积分线性误差（INL）为4ppm，RMS噪声为0.3ppm，供电电流仅为200μA（待机时为20μA），采用Δ-∑技术独特的体系结构，建立时间为单周期。文中介绍了LTC2400的主要功能和串行接口方法，给出了LTC2400与单片机的接口电路。 关键词：LTC2400 A/D转换器 数据采集 单片机 １　ＬＴＣ２４００的引脚功能和内部结构 ＬＴＣ２４００采用与ＳＰＩ接口兼容的３线数字接口，可应用于高分辨率和低频应用场合，如称重、温度测量、气体分析、应变仪，数据采集，工业控制等方面。它采用８脚ＳＯ－８封装，其引脚排列如图１所示。其引脚功能如下： １脚ＶＣＣ：电源； ２脚ＶＲＥＦ：参考电压输入端； ３脚ＶＩＮ：模拟信号输入脚； ４脚ＧＮＤ：接地脚； ５脚ＣＳ：片选端，低电平有效； ６脚ＳＤＯ：数据输出端，同时也是转换数据有效的指示端； ７脚ＳＣＫ：时钟脚，双向； ８脚ＦＯ：数字输入脚，用于选择需要抑制的频率和ＡＤ转换时间。 ＬＴＣ２４００的供电电压ＶＣＣ的范围为２．７～５．５Ｖ；所需外接基准电压源的电压范围为０．１Ｖ～ＶＣＣ；模拟信号输入ＶＩＮ的输入电压范围为－０．１２５ＶＲＥＦ～１．１２５ＶＲＥＦ。 ＬＴＣ２４００内部已集成了高精度的振荡器，因此采用片内振荡器时不需要外接任何元件。ＬＴＣ２４００的数字滤波器能够抑制５０Ｈｚ或６０Ｈｚ及其谐波。当芯片的Ｆ０脚接ＶＣＣ时，使用内部振荡器可对输入信号中的５０Ｈｚ干扰进行大于１１０ｄＢ的抑制，其ＡＤ转换时间为１６０ｍｓ；Ｆ０脚接ＧＮＤ时，使用内部振荡器可对输入信号中的６０Ｈｚ干扰进行大于１１０ｄＢ的抑制，ＡＤ转换时间为１３３ｍｓ；当Ｆ０脚接外部振荡器ｆＥＯＳＣ时，其抑制的频率为ｆＥＯＳＣ／２５６０，ＡＤ转换时间为２０４８／ｆＥＯＳＣ。图２所示为ＬＴＣ２４００的内部结构。 ２　ＬＴＣ２４００的工作过程及串行输出 ２．１ ＬＴＣ２４００的工作过程 ＬＴＣ２４００是一种低功耗、采用Δ－Σ技术且具有３线串行接口的ＡＤ转换器，而且在ＡＤ转换完成后将直接进入睡眠状态。ＬＴＣ２４００的三线接口线分别是数据输出（ＳＤＯ）、时钟（ＳＣＫ）和片选（ＣＳ）。其工作流程如图３所示。 ＬＴＣ２４００完成转换就进入睡眠状态。睡眠状态的供电电流仅为２０μＡ。若ＣＳ一直为高电平，芯片将保持睡眠状态。进入睡眠状态时，数据最后的转换结果将保存在芯片内部的静态移位寄存器中。 当ＣＳ变为低电平时，ＬＴＣ２４００开始输出转换结果，此时数据转换没有等待时间，输出数据即为刚进行的转换结果。该转换结果是在串行时钟ＳＣＫ的控制下由ＳＤＯ输出的，并在ＳＣＫ的下降沿更新，而在ＳＣＫ的上升沿可靠读取。 当３２位数据从ＬＴＣ２４００读出或当ＣＳ被拉高时，数据输出结束。此后ＬＴＣ２４００将自动开始新的数据转换和重复周期。 ２．２ ＬＴＣ２４００的串行输出接口 通过对ＣＳ和ＳＣＫ的控制，ＬＴＣ２４００可以提供几种灵活的接口模式（内部或外部的ＳＣＫ模式）。不同转换模式的选择无需对ＬＴＣ２４００的寄存器进行设置，并且不影响数据转换周期。使用时钟信号ＳＣＫ（ＰＩＮ７）控制转换数据的输出时，转换结果将在时钟ＣＬＫ的下降沿由ＳＤＯ脚输出。在内部时钟模式，ＳＣＫ信号由ＬＴＣ２４００产生输出在外部ＳＣＫ模式，ＳＣＫ为ＬＴＣ２４００外部输入的时钟信号。下面详细介绍外部串行时钟的三线接口方法。 当ＬＴＣ２４００上电时，如果ＳＣＫ为低电平，转换进入外部串行模式；在ＣＳ信号的下降沿，ＳＣＫ信号必须为低电平。 当ＣＳ为高电平时，ＳＤＯ为高阻态，此时，ＳＤＯ连接的接口线可以作为其它应用。如果ＬＴＣ２４００在转换和睡眠时ＣＳ为低电平，那么，ＳＤＯ的输出状态将用于指示ＥＯＣ。在ＡＤ转换阶段，ＳＤＯ的输出状态ＥＯＣ将变为高电平，而一旦转换完成，ＥＯＣ又变为低电平。在ＬＴＣ２４００处于睡眠状态时，如果ＣＳ为低电平，系统会在ＳＣＫ的上升沿将其唤醒。图４所示是ＬＴＣ２４００的外部串行时钟接口时序图。 ＣＳ信号除用来检测ＬＴＣ２４００的状态和输出ＡＤ转换数据外，还可用来控制全部串行数据输出之前进行的新一次ＡＤ转换。在ＬＴＣ２４００处于数据输出状态时，ＣＳ由低变高以停止串行输出，同时开始新的ＡＤ转换。 由于在ＣＳ为高电平时，数据输出端ＳＤＯ为高阻态，因此，在ＬＴＣ２４００的转换过程中，可通过将ＣＳ变为低电平来检测转换状态。当ＣＳ为低电平时，ＳＤＯ脚输出的ＥＯＣ信号为１，表示转换正在进行；ＥＯＣ为０表示转换完成，系统处于睡眠状态。当ＬＴＣ２４００处于睡眠状态时，其转换结果将保存在内部移位寄存器中。ＣＳ为低可在ＳＣＫ的上升沿唤醒ＬＴＣ２４００，此时转换数据将在ＳＣＫ的下降沿串行输出。ＥＯＣ通常在ＳＣＫ的第一个上升沿被锁存，直到第３２个上升沿锁存结束，同时，系统将在第３２个下降沿开始的新一轮转换。 图4 外部串行时钟接口时序图 一般情况下，在数据输出过程中，如果ＣＳ为低电平，那么，系统将在ＳＣＫ的第一个上升沿和第３２个下降沿中间将ＣＳ变高以停止数据输出。 ３　和ＡＴ８９Ｃ２０５１单片机的接口应用 利用ＬＴＣ２４００实现高精度信号采集功能的系统原理图如图５所示。在该数据采集系统中，ＬＴ２４００芯片的外围电路十分简单。ＡＴ８９Ｃ２０５１单片机作为控制器，其中Ｐ１．４、Ｐ１．５和Ｐ１．６与ＬＴＣ２４００的ＳＣＫ、ＳＤＯ和ＣＳ相连，数据转换结果也通过该串行口输出；该系统采用电压为５Ｖ的基准源；信号由ＬＴＣ２４００的ＶＩＮ输入，输入的电压范围为－０．６２５～５．６２５Ｖ；转换速率为６．２５ＰＰＳ；数据通过ＡＴ８９Ｃ２０５１的ＲＸＤ和ＴＸＤ并经ＭＡＸ２０２进行电平转换后由串行口输出给上位机。 图5 LTC2400数据采集原理图 通过实际应用证明，ＬＴＣ２４００芯片具有很高的性能，可以较好地实现预期的设计功能，目前笔者已将其应用在地震前兆形变观测仪器中，且效果良好。