精密控制應(yīng)用通常會(huì)出現(xiàn)看似矛盾的數(shù)據(jù)采集要求，需要高精度和零延遲轉(zhuǎn)換。開(kāi)發(fā)人員使用復(fù)雜的多信號(hào)鏈方法來(lái)協(xié)調(diào)這些要求，這些方法會(huì)增加設(shè)計(jì)成本并導(dǎo)致項(xiàng)目延遲。

但是，現(xiàn)在可以使用單個(gè)設(shè)備快速實(shí)現(xiàn)高分辨率，零 - 延遲數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)，附加組件相對(duì)較少。

本文將描述當(dāng)前方法的復(fù)雜性。然后，它將引入解決這些復(fù)雜性和成本問(wèn)題以及如何應(yīng)用它們的解決方案。

高精度數(shù)據(jù)采集的復(fù)雜性

高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常依賴基于sigma-delta（ΣΔ）轉(zhuǎn)換等方法的高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。然而，這些方法使用的過(guò)采樣和濾波技術(shù)會(huì)在采樣事件和數(shù)字輸出之間引入延遲。這種延遲對(duì)于高精度，高速應(yīng)用來(lái)說(shuō)是不可接受的。對(duì)于這些應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員不得不進(jìn)行折衷，包括創(chuàng)建兩個(gè)并行轉(zhuǎn)換信號(hào)路徑。一種基于高分辨率ADC，另一種基于逐次逼近寄存器（SAR）ADC，可以無(wú)延遲地提供結(jié)果。這種妥協(xié)禁止獲得最大分辨率。

使用這種方法，僅憑附加信號(hào)鏈就可以提高設(shè)計(jì)成本和復(fù)雜性。同時(shí)，隨著設(shè)計(jì)人員建立補(bǔ)償功能以協(xié)調(diào)兩個(gè)信號(hào)鏈之間的增益，帶寬，溫度變化，長(zhǎng)期漂移和其他性能參數(shù)的差異，總成本和復(fù)雜性會(huì)更加微妙地增加。

凌力爾特公司的LTC2500 ADC提供了一種更簡(jiǎn)單的方法，提供無(wú)延遲24位轉(zhuǎn)換和高分辨率數(shù)字濾波32位轉(zhuǎn)換。

雙輸出

的核心Linear LTC2500-32是一款高速SAR ADC內(nèi)核，用于轉(zhuǎn)換從差分模擬輸入引腳IN + 和IN - 采樣的模擬輸入信號(hào)。反過(guò)來(lái)，ADC內(nèi)核的輸出為無(wú)延遲24位輸出和來(lái)自獨(dú)立器件引腳的數(shù)字濾波32位輸出提供單獨(dú)的片內(nèi)信號(hào)路徑。

在這種簡(jiǎn)單的操作視圖的基礎(chǔ)上，該器件提供了一系列復(fù)雜功能，將低功耗，低噪聲操作與各種轉(zhuǎn)換功能相結(jié)合。例如，該器件通過(guò)在對(duì)其模擬輸入進(jìn)行采樣時(shí)保持低功耗狀態(tài)來(lái)幫助降低系統(tǒng)功耗要求。當(dāng)器件在其MCLK主時(shí)鐘引腳上看到上升沿時(shí)，它會(huì)喚醒足夠長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)執(zhí)行轉(zhuǎn)換，并在轉(zhuǎn)換完成時(shí)自動(dòng)關(guān)斷。因此，該器件在其660 ns（最大值）轉(zhuǎn)換階段僅消耗可觀的功率。此功能允許開(kāi)發(fā)人員通過(guò)以符合其應(yīng)用要求的最低可能采樣率操作器件來(lái)優(yōu)化總體功耗（圖2）。

圖2：凌力爾特公司LTC2500-32僅在其660 ns（最大值）轉(zhuǎn)換階段進(jìn)入完全有效狀態(tài)，降低了功耗并降低了功耗抽樣率。 （圖像來(lái)源：Linear Technology）

然而，對(duì)于大多數(shù)高精度應(yīng)用而言，提供高分辨率數(shù)據(jù)的能力仍然是主要關(guān)注點(diǎn)。為了滿足苛刻的轉(zhuǎn)換要求，設(shè)計(jì)人員在模擬輸入上集成了復(fù)雜的濾波器級(jí)以減少混疊，并在數(shù)字輸出上集成了減少帶外噪聲的功能。例如，開(kāi)發(fā)人員通常使用低通濾波器對(duì)ADC的模擬輸入進(jìn)行調(diào)節(jié)，該濾波器設(shè)計(jì)用于抑制高于奈奎斯特頻率的信號(hào)頻率分量 - 即采樣頻率的一半。

對(duì)于許多應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)簡(jiǎn)單的低通模擬濾波器輕松滿足抗混疊要求。然而，當(dāng)目標(biāo)信號(hào)帶寬接近奈奎斯特頻率時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的模擬濾波器，以實(shí)現(xiàn)清晰的滾降，以消除混疊，而不會(huì)衰減信號(hào)本身。然而，使用LTC2500-32，開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)將更簡(jiǎn)單的低通模擬濾波器與ADC的片上數(shù)字帶通濾波功能相結(jié)合來(lái)放寬模擬濾波器要求，從而創(chuàng)建“混合模式”抗混疊濾波器（圖3）。

圖3：設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)將凌力爾特公司的LTC2500-32片上數(shù)字濾波器與其結(jié)合，實(shí)現(xiàn)所需的抗混疊濾波器（AAF）配置文件簡(jiǎn)單的模擬濾波器。 （圖片來(lái)源：Linear Technology）

數(shù)字濾波

從廣義上講，數(shù)字濾波滿足了一項(xiàng)關(guān)鍵需求：去除帶外頻率成分，降低整體動(dòng)態(tài)范圍和轉(zhuǎn)換質(zhì)量。過(guò)去，開(kāi)發(fā)人員經(jīng)常使用專(zhuān)用硬件（包括DSP甚至FPGA）實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字濾波器，以實(shí)現(xiàn)高速應(yīng)用。 LTC2500-32的集成數(shù)字濾波器無(wú)需外部濾波解決方案，進(jìn)一步降低了設(shè)計(jì)成本和復(fù)雜性。此外，LTC2500-32還支持多種內(nèi)置光譜濾波器，包括扁平通帶濾波器（圖4A）和多個(gè)正弦濾波器（圖4B）。此外，平均濾波器可讓設(shè)計(jì)人員通過(guò)在最終濾波輸出中平均多達(dá)16,384個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果來(lái)減少隨機(jī)噪聲的影響。

圖4：與扁平通帶濾波器（a）一起，線性LTC2500-32支持sinc 1 ，sinc 2 ，sinc 3 ，sinc 4 和spread-sinc（ssinc）濾波器（b）開(kāi)發(fā)人員可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)諧以通過(guò)或衰減特定頻率，以增強(qiáng)信號(hào)采集。 （圖像源：Linear Technology）

在平坦通帶和正弦濾波器的輸出上，抽取濾波器根據(jù)可編程的下采樣因子（DF）對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行下采樣，提供每個(gè)DF < sup> th 采樣到濾波后的輸出寄存器并丟棄其他寄存器。因此，對(duì)于任何ADC轉(zhuǎn)換頻率fSMPL，開(kāi)發(fā)人員可以在應(yīng)用不需要器件的最大1 MS/s最大采樣率時(shí)設(shè)置有效器件輸出數(shù)據(jù)頻率f0 = fSMPL/DF。

組合這些不同的濾波器類(lèi)型和采樣靈活性還使設(shè)計(jì)人員能夠優(yōu)化轉(zhuǎn)換過(guò)程的帶通和帶阻性能。通過(guò)將器件配置為在特定的fSMPL和DF下工作，開(kāi)發(fā)人員可以根據(jù)需要移動(dòng)f0選擇數(shù)字濾波器來(lái)傳遞或拒絕特定頻率。

如前所述，數(shù)字濾波算法用于增強(qiáng)高頻分辨率ADC輸出引入輸入采樣和濾波輸出之間的延遲。隨著濾波變得更加復(fù)雜，無(wú)論數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)方法如何，延遲都相應(yīng)地增加。對(duì)于LTC2500-32 ADC，支持的數(shù)字濾波器引入了可預(yù)測(cè)的延遲，隨著濾波器的復(fù)雜性而增長(zhǎng)（圖5）。在每種濾波器類(lèi)型中，DF的增加會(huì)增加有效濾波器的長(zhǎng)度，從而增加濾波器的建立時(shí)間，從而增加其延遲。例如，雖然以DF = 4運(yùn)行的sinc 1 濾波器類(lèi)型可能導(dǎo)致3微秒（μs）延遲，但設(shè)置DF = 2048將導(dǎo)致相同濾波器的延遲為513μs。

圖5.銳利滾降意味著采樣和濾波輸出之間的延遲更大，如此處所示的Linear LTC2500-32平坦通帶濾波器（a）和sinc過(guò)濾器（b）。 （圖片來(lái)源：Linear Technology）

轉(zhuǎn)換輸出

盡管增強(qiáng)轉(zhuǎn)換結(jié)果需要延遲，但需要即時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)果的應(yīng)用程序可以簡(jiǎn)單地訪問(wèn)LTC2500-32無(wú)延遲輸出寄存器。在每次ADC內(nèi)核轉(zhuǎn)換后，器件使用32位代碼更新無(wú)延遲輸出寄存器，該代碼包括超量程檢測(cè)位，24位值差分輸入電壓（IN + - IN - ）和7位共模輸入電壓（IN + + IN - ）/2。在轉(zhuǎn)換之間，主機(jī)MCU可以使用相關(guān)的串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸入B（SCKB）通過(guò)專(zhuān)用串行數(shù)據(jù)輸出B（SDOB）引腳串行讀取該32位寄存器。

同樣，主機(jī)MCU可以通過(guò)單獨(dú)的數(shù)據(jù)輸出（SDOA）引腳和時(shí)鐘（SCKA）訪問(wèn)濾波數(shù)據(jù)輸出寄存器。但是，對(duì)于濾波數(shù)據(jù)輸出，Linear利用了與平均或下采樣相關(guān)的濾波輸出寄存器更新之間的延長(zhǎng)周期。例如，當(dāng)平均濾波器被設(shè)置為平均四個(gè)采樣或者頻譜濾波器DF被設(shè)置為四時(shí)，濾波的輸出寄存器在產(chǎn)生濾波結(jié)果之前的三個(gè)轉(zhuǎn)換周期期間保持不變。利用LTC2500-32，開(kāi)發(fā)人員可以在這三個(gè)轉(zhuǎn)換周期內(nèi)延長(zhǎng)輸出寄存器的串行讀出，允許使用較慢的時(shí)鐘來(lái)驅(qū)動(dòng)SCKA。

此功能稱為分布式讀取，允許開(kāi)發(fā)人員讀取每個(gè)ADC內(nèi)核轉(zhuǎn)換周期之間的輸出寄存器的幾位。通過(guò)用至少一個(gè)但少于20個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)SCKA引腳，主機(jī)可以在轉(zhuǎn)換周期之間移出相同數(shù)量的位。開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)在轉(zhuǎn)換周期期間發(fā)出零脈沖或發(fā)出20個(gè)或更多脈沖來(lái)終止讀取過(guò)程，從而使器件更新濾波后的輸出寄存器并啟動(dòng)下一個(gè)分布式讀取周期（圖6）。

圖6：利用Linear LTC2500-32分布式讀取功能，開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)脈沖SCKA讀出濾波后的輸出寄存器的1到19位ADC轉(zhuǎn)換之間的相應(yīng)脈沖數(shù)（DRL為低），通過(guò)在（最終）ADC轉(zhuǎn)換周期期間發(fā)出零脈沖完成讀取，并允許器件啟動(dòng)下一個(gè)平均序列。 （圖像來(lái)源：Linear Technology）

無(wú)論用于讀取器件輸出的方法如何，開(kāi)發(fā)人員只需要進(jìn)行少量連接即可實(shí)現(xiàn)LTC2500-32與主機(jī)MCU之間的數(shù)字接口。硬件工程師通常可以將LTC2500-32直接連接到數(shù)字邏輯，因?yàn)樵撈骷С峙c其自身2.5伏電源引腳（VDD）分開(kāi)的數(shù)字IO電源（OVDD）。 OVDD電源電壓范圍為1.8至5伏，使器件能夠直接連接到大多數(shù)數(shù)字邏輯組件，而無(wú)需電平轉(zhuǎn)換器。

設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)一步減少使用濾波和無(wú)延遲的應(yīng)用的設(shè)計(jì)占用空間輸出。在這里，設(shè)計(jì)人員將LTC2500-32的每個(gè)輸出的獨(dú)立時(shí)鐘和串行數(shù)據(jù)線連接到單個(gè)時(shí)鐘線和來(lái)自MCU的數(shù)據(jù)線（圖7）。通過(guò)切換RDLA和RDLB，設(shè)計(jì)人員可以分別為串行數(shù)據(jù)輸出啟用濾波和無(wú)延遲輸出。

圖7：設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)共享用于濾波（SCKA時(shí)鐘和SDOA數(shù)據(jù)）和無(wú)延遲（SCKB和SDOB）輸出的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)連接來(lái)簡(jiǎn)化MCU互連，使用RDLA和RDLB來(lái)啟用相應(yīng)的輸出。 （圖像來(lái)源：凌力爾特公司）

設(shè)計(jì)人員通常會(huì)添加一個(gè)額外的連接，將主機(jī)GPIO連接到LTC2500-32串行數(shù)據(jù)輸入（SDI）引腳（如圖1所示），以進(jìn)行編程器件配置。通過(guò)設(shè)置ADC的12位控制字中的位，設(shè)計(jì)人員可以選擇濾波器類(lèi)型和下采樣因子。在各種特定操作狀態(tài)期間（例如在加電之后或轉(zhuǎn)換之間），設(shè)備打開(kāi)“交易窗口”，允許設(shè)備讀入新的控制字。通過(guò)在此事務(wù)窗口中加載新的控制字，他們可以動(dòng)態(tài)更改過(guò)濾器類(lèi)型，DF設(shè)置或其他設(shè)備參數(shù)，以匹配信號(hào)特征或應(yīng)用要求的變化。

然而，對(duì)于大多數(shù)設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)人員將在上電時(shí)對(duì)器件進(jìn)行一次編程。在某些情況下，開(kāi)發(fā)人員通過(guò)利用設(shè)備內(nèi)置的一對(duì)預(yù)設(shè)配置來(lái)消除甚至此設(shè)備編程步驟。通過(guò)將LTC2500-32的預(yù)置（PRE）引腳置為高電平，開(kāi)發(fā)人員可以根據(jù)SDI引腳的狀態(tài)選擇預(yù)置。如果SDI接低電平，LTC2500-32將通過(guò)其平均濾波運(yùn)行。如果SDI為高電平，則使用其ssinc濾波器，DF = 64。

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

雖然數(shù)字接口很簡(jiǎn)單，但開(kāi)發(fā)人員通常需要一些額外的組件來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)用數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)。在這些外部元件中，選擇合適的電壓基準(zhǔn)是至關(guān)重要的。 LTC2500-32的REF引腳上的參考電壓設(shè)置轉(zhuǎn)換的最大輸入范圍。在轉(zhuǎn)換階段，ADC從REF吸取電荷，導(dǎo)致電流尖峰小，可能降低轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)人員可以使用高精度5伏電壓基準(zhǔn)（如凌力爾特公司LTC6655-5和旁路電容）在很大程度上消除這些影響。當(dāng)電容緩沖增量電流消耗時(shí)，LTC6655-5確保參考電壓的偏差在整個(gè)ADC代碼范圍內(nèi)保持小于0.5 ppm。

在ADC的IN + 和IN - 輸入，設(shè)計(jì)人員還需要確保信號(hào)保持無(wú)失真。理論上，任何低阻抗信號(hào)源都可以直接連接到LTC2500-32高阻抗輸入引腳。然而，實(shí)際上，設(shè)計(jì)人員可以使用快速建立放大器來(lái)緩沖ADC輸入，例如用于交流應(yīng)用的Linear Technology LTC6363或LT6202，或用于DC應(yīng)用的零漂移放大器，如Linear LTC2057。

除了緩沖輸入外，這些放大器還提供將輸入信號(hào)擺幅與ADC的全動(dòng)態(tài)范圍匹配所需的信號(hào)調(diào)理，或?qū)味溯斎朕D(zhuǎn)換為全差分信號(hào)（圖8）。

圖8：開(kāi)發(fā)人員可以使用凌力爾特公司的LT5400-4電阻網(wǎng)絡(luò)和快速建立的低噪聲LTC6363運(yùn)算放大器來(lái)轉(zhuǎn)換單個(gè)將雙極AC輸入端接到LTC2500-32的差分信號(hào)。 （圖片來(lái)源：Linear Technology）

LTC2500-32相對(duì)簡(jiǎn)單的接口要求使經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員能夠圍繞這一復(fù)雜設(shè)備快速實(shí)現(xiàn)完整的高分辨率數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)。然而，無(wú)論設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)如何，構(gòu)建用于全面評(píng)估LTC2500-32的電路的細(xì)節(jié)都可能會(huì)延遲尋求快速解決方案的項(xiàng)目。 DC2222A-A演示板簡(jiǎn)化了原型設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。

電路板本身提供了完整的硬件實(shí)現(xiàn)和相關(guān)的參考設(shè)計(jì)，包括原理圖，詳細(xì)的BOM和評(píng)估軟件。在電路板上，完整的模擬輸入緩沖電路提供了信號(hào)調(diào)理設(shè)計(jì)的詳細(xì)示例，并以多功放電路的詳細(xì)原理圖為后盾。對(duì)于更詳細(xì)的信號(hào)分析或應(yīng)用開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)人員可以將DC2222A-A演示板連接到凌力爾特公司的兼容Arduino的DC590或DC2026 QuikEval系統(tǒng)或線性DC890 PScope USB數(shù)據(jù)采集板。

結(jié)論

過(guò)程控制和儀器的高精度應(yīng)用的增長(zhǎng)使開(kāi)發(fā)人員不得不尋找能夠以高分辨率和零延遲提供結(jié)果的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換解決方案。由于高分辨率轉(zhuǎn)換方法增加了轉(zhuǎn)換延遲，開(kāi)發(fā)人員通過(guò)將較慢的高分辨率ADC與較快的低分辨率ADC配對(duì)來(lái)滿足這一需求。

而不是處理此方法固有的成本和復(fù)雜性開(kāi)發(fā)人員現(xiàn)在可以使用能夠提供高分辨率而無(wú)延遲輸出的單個(gè)設(shè)備。使用Linear LTC2500-32，他們可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)，能夠滿足高精度應(yīng)用的各種要求。