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24位A/D轉(zhuǎn)換器LTC2400及其應(yīng)用
摘要：LTC2400是凌特公司（Linear）生產(chǎn)的一種微功能、高精度24位A/D轉(zhuǎn)換器，該芯片內(nèi)部集成有振蕩器，工作電壓為2.7～5.5V，積分線性誤差（INL）為4ppm，RMS噪聲為0.3ppm，供電電流僅為200μA（待機(jī)時(shí)為20μA），采用Δ-∑技術(shù)獨(dú)特的體系結(jié)構(gòu)，建立時(shí)間為單周期。文中介紹了LTC2400的主要功能和串行接口方法，給出了LTC2400與單片機(jī)的接口電路。關(guān)鍵詞：LTC2400A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)采集單片機(jī)
�。保蹋裕茫玻矗埃暗囊_功能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)
�。蹋裕茫玻矗埃安捎门cＳＰＩ接口兼容的３線數(shù)字接口，可應(yīng)用于高分辨率和低頻應(yīng)用場合，如稱重、溫度測量、氣體分析、應(yīng)變儀，數(shù)據(jù)采集，工業(yè)控制等方面。它采用８腳ＳＯ－８封裝，其引腳排列如圖１所示。其引腳功能如下：
�。蹦_ＶＣＣ：電源；
�。材_ＶＲＥＦ：參考電壓輸入端；
�。衬_ＶＩＮ：模擬信號輸入腳；
�。茨_ＧＮＤ：接地腳；
�。的_ＣＳ：片選端，低電平有效；
�。赌_ＳＤＯ：數(shù)據(jù)輸出端，同時(shí)也是轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)有效的指示端；
�。纺_ＳＣＫ：時(shí)鐘腳，雙向；
�。改_ＦＯ：數(shù)字輸入腳，用于選擇需要抑制的頻率和ＡＤ轉(zhuǎn)換時(shí)間。
ＬＴＣ２４００的供電電壓ＶＣＣ的范圍為２．７～５．５Ｖ；所需外接基準(zhǔn)電壓源的電壓范圍為０．１Ｖ～ＶＣＣ；模擬信號輸入ＶＩＮ的輸入電壓范圍為－０．１２５ＶＲＥＦ～１．１２５ＶＲＥＦ。
�。蹋裕茫玻矗埃皟�(nèi)部已集成了高精度的振蕩器，因此采用片內(nèi)振蕩器時(shí)?不需要外接任何元件。ＬＴＣ２４００的數(shù)字濾波器能夠抑制５０Ｈｚ或６０Ｈｚ及其諧波。當(dāng)芯片的Ｆ０腳接ＶＣＣ時(shí)，使用內(nèi)部振蕩器可對輸入信號中的５０Ｈｚ干擾進(jìn)行大于１１０ｄＢ的抑制，其ＡＤ轉(zhuǎn)換時(shí)間為１６０ｍｓ；Ｆ０腳接ＧＮＤ時(shí)，使用內(nèi)部振蕩器可對輸入信號中的６０Ｈｚ干擾進(jìn)行大于１１０ｄＢ的抑制，ＡＤ轉(zhuǎn)換時(shí)間為１３３ｍｓ；當(dāng)Ｆ０腳接外部振蕩器ｆＥＯＳＣ時(shí)，其抑制的頻率為ｆＥＯＳＣ／２５６０，ＡＤ轉(zhuǎn)換時(shí)間為２０４８／ｆＥＯＳＣ。圖２所示為ＬＴＣ２４００的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
�。玻蹋裕茫玻矗埃暗墓ぷ鬟^程及串行輸出
２．１ＬＴＣ２４００的工作過程
�。蹋裕茫玻矗埃笆且环N低功耗、采用Δ－Σ技術(shù)且具有３線串行接口的ＡＤ轉(zhuǎn)換器，而且在ＡＤ轉(zhuǎn)換完成后將直接進(jìn)入睡眠狀態(tài)。ＬＴＣ２４００的三線接口線分別是數(shù)據(jù)輸出（ＳＤＯ）、時(shí)鐘（ＳＣＫ）和片選（ＣＳ）。其工作流程如圖３所示。
�。蹋裕茫玻矗埃巴瓿赊D(zhuǎn)換就進(jìn)入睡眠狀態(tài)。睡眠狀態(tài)的供電電流僅為２０μＡ。若ＣＳ一直為高電平，芯片將保持睡眠狀態(tài)。進(jìn)入睡眠狀態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)最后的轉(zhuǎn)換結(jié)果將保存在芯片內(nèi)部的靜態(tài)移位寄存器中。
當(dāng)ＣＳ變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，ＬＴＣ２４００開始輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果，此時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換沒有等待時(shí)間，輸出數(shù)據(jù)即為剛進(jìn)行的轉(zhuǎn)換結(jié)果。該轉(zhuǎn)換結(jié)果是在串行時(shí)鐘ＳＣＫ的控制下由ＳＤＯ輸出的，并在ＳＣＫ的下降沿更新，而在ＳＣＫ的上升沿可靠讀取。當(dāng)３２位數(shù)據(jù)從ＬＴＣ２４００讀出或當(dāng)ＣＳ被拉高時(shí)，數(shù)據(jù)輸出結(jié)束。此后ＬＴＣ２４００將自動開始新的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和重復(fù)周期。
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通過對ＣＳ和ＳＣＫ的控制，ＬＴＣ２４００可以提供幾種靈活的接口模式（內(nèi)部或外部的ＳＣＫ模式）。不同轉(zhuǎn)換模式的選擇無需對ＬＴＣ２４００的寄存器進(jìn)行設(shè)置，并且不影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換周期。使用時(shí)鐘信號ＳＣＫ（ＰＩＮ７）控制轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的輸出時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)果將在時(shí)鐘ＣＬＫ的下降沿由ＳＤＯ腳輸出。在內(nèi)部時(shí)鐘模式，ＳＣＫ信號由ＬＴＣ２４００產(chǎn)生輸出?在外部ＳＣＫ模式，ＳＣＫ為ＬＴＣ２４００外部輸入的時(shí)鐘信號。下面詳細(xì)介紹外部串行時(shí)鐘的三線接口方法。
當(dāng)ＬＴＣ２４００上電時(shí)，如果ＳＣＫ為低電平，轉(zhuǎn)換進(jìn)入外部串行模式；在ＣＳ信號的下降沿，ＳＣＫ信號必須為低電平。
當(dāng)ＣＳ為高電平時(shí)，ＳＤＯ為高阻態(tài)，此時(shí)，ＳＤＯ連接的接口線可以作為其它應(yīng)用。如果ＬＴＣ２４００在轉(zhuǎn)換和睡眠時(shí)?ＣＳ為低電平，那么，ＳＤＯ的輸出狀態(tài)將用于指示ＥＯＣ。在ＡＤ轉(zhuǎn)換階段，ＳＤＯ的輸出狀態(tài)ＥＯＣ將變?yōu)楦唠娖�，而一旦轉(zhuǎn)換完成，ＥＯＣ又變?yōu)榈碗娖�。在ＬＴＣ２４００處于睡眠狀態(tài)時(shí)，如果ＣＳ為低電平，系統(tǒng)會在ＳＣＫ的上升沿將其喚醒。圖４所示是ＬＴＣ２４００的外部串行時(shí)鐘接口時(shí)序圖。
ＣＳ信號除用來檢測ＬＴＣ２４００的狀態(tài)和輸出ＡＤ轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)外，還可用來控制全部串行數(shù)據(jù)輸出之前進(jìn)行的新一次ＡＤ轉(zhuǎn)換。在ＬＴＣ２４００處于數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)時(shí)，ＣＳ由低變高以停止串行輸出，同時(shí)開始新的ＡＤ轉(zhuǎn)換。
由于在ＣＳ為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)輸出端ＳＤＯ為高阻態(tài)，因此，在ＬＴＣ２４００的轉(zhuǎn)換過程中，可通過將ＣＳ變?yōu)榈碗娖絹頇z測轉(zhuǎn)換狀態(tài)。當(dāng)ＣＳ為低電平時(shí)，ＳＤＯ腳輸出的ＥＯＣ信號為１，表示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行；ＥＯＣ為０表示轉(zhuǎn)換完成，系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)。當(dāng)ＬＴＣ２４００處于睡眠狀態(tài)時(shí)，其轉(zhuǎn)換結(jié)果將保存在內(nèi)部移位寄存器中。ＣＳ為低可在ＳＣＫ的上升沿喚醒ＬＴＣ２４００，此時(shí)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)將在ＳＣＫ的下降沿串行輸出。ＥＯＣ通常在ＳＣＫ的第一個上升沿被鎖存，直到第３２個上升沿鎖存結(jié)束，同時(shí)，系統(tǒng)將在第３２個下降沿開始的新一輪轉(zhuǎn)換。
圖4外部串行時(shí)鐘接口時(shí)序圖
一般情況下，在數(shù)據(jù)輸出過程中，如果ＣＳ為低電平，那么，系統(tǒng)將在ＳＣＫ的第一個上升沿和第３２個下降沿中間將ＣＳ變高以停止數(shù)據(jù)輸出。
�。澈停粒裕福梗茫玻埃担眴纹瑱C(jī)的接口應(yīng)用
利用ＬＴＣ２４００實(shí)現(xiàn)高精度信號采集功能的系統(tǒng)原理圖如圖５所示。在該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，ＬＴ２４００芯片的外圍電路十分簡單。ＡＴ８９Ｃ２０５１單片機(jī)作為控制器，其中Ｐ１．４、Ｐ１．５和Ｐ１．６與ＬＴＣ２４００的ＳＣＫ、ＳＤＯ和ＣＳ相連，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果也通過該串行口輸出；該系統(tǒng)采用電壓為５Ｖ的基準(zhǔn)源；信號由ＬＴＣ２４００的ＶＩＮ輸入，輸入的電壓范圍為－０．６２５～５．６２５Ｖ；轉(zhuǎn)換速率為６．２５ＰＰＳ；數(shù)據(jù)通過ＡＴ８９Ｃ２０５１的ＲＸＤ和ＴＸＤ并經(jīng)ＭＡＸ２０２進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后由串行口輸出給上位機(jī)。
圖5LTC2400數(shù)據(jù)采集原理圖
通過實(shí)際應(yīng)用證明，ＬＴＣ２４００芯片具有很高的性能，可以較好地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的設(shè)計(jì)功能，目前?筆者已將其應(yīng)用在地震前兆形變觀測儀器中，且效果良好。
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