精密控制應用通常會出現看似矛盾的數據采集要求，需要高精度和零延遲轉換。開發人員使用復雜的多信號鏈方法來協調這些要求，這些方法會增加設計成本并導致項目延遲。

但是，現在可以使用單個設備快速實現高分辨率，零 - 延遲數據采集設計，附加組件相對較少。

本文將描述當前方法的復雜性。然后，它將引入解決這些復雜性和成本問題以及如何應用它們的解決方案。

高精度數據采集的復雜性

高精度數據采集系統通常依賴基于sigma-delta（ΣΔ）轉換等方法的高分辨率模數轉換器（ADC）。然而，這些方法使用的過采樣和濾波技術會在采樣事件和數字輸出之間引入延遲。這種延遲對于高精度，高速應用來說是不可接受的。對于這些應用，設計人員不得不進行折衷，包括創建兩個并行轉換信號路徑。一種基于高分辨率ADC，另一種基于逐次逼近寄存器（SAR）ADC，可以無延遲地提供結果。這種妥協禁止獲得最大分辨率。

使用這種方法，僅憑附加信號鏈就可以提高設計成本和復雜性。同時，隨著設計人員建立補償功能以協調兩個信號鏈之間的增益，帶寬，溫度變化，長期漂移和其他性能參數的差異，總成本和復雜性會更加微妙地增加。

凌力爾特公司的LTC2500 ADC提供了一種更簡單的方法，提供無延遲24位轉換和高分辨率數字濾波32位轉換。

雙輸出

的核心Linear LTC2500-32是一款高速SAR ADC內核，用于轉換從差分模擬輸入引腳IN + 和IN - 采樣的模擬輸入信號。反過來，ADC內核的輸出為無延遲24位輸出和來自獨立器件引腳的數字濾波32位輸出提供單獨的片內信號路徑。

在這種簡單的操作視圖的基礎上，該器件提供了一系列復雜功能，將低功耗，低噪聲操作與各種轉換功能相結合。例如，該器件通過在對其模擬輸入進行采樣時保持低功耗狀態來幫助降低系統功耗要求。當器件在其MCLK主時鐘引腳上看到上升沿時，它會喚醒足夠長的時間來執行轉換，并在轉換完成時自動關斷。因此，該器件在其660 ns（最大值）轉換階段僅消耗可觀的功率。此功能允許開發人員通過以符合其應用要求的最低可能采樣率操作器件來優化總體功耗（圖2）。

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

然而，對于大多數高精度應用而言，提供高分辨率數據的能力仍然是主要關注點。為了滿足苛刻的轉換要求，設計人員在模擬輸入上集成了復雜的濾波器級以減少混疊，并在數字輸出上集成了減少帶外噪聲的功能。例如，開發人員通常使用低通濾波器對ADC的模擬輸入進行調節，該濾波器設計用于抑制高于奈奎斯特頻率的信號頻率分量 - 即采樣頻率的一半。

對于許多應用，設計人員可以通過簡單的低通模擬濾波器輕松滿足抗混疊要求。然而，當目標信號帶寬接近奈奎斯特頻率時，設計人員需要實現更復雜的模擬濾波器，以實現清晰的滾降，以消除混疊，而不會衰減信號本身。然而，使用LTC2500-32，開發人員可以通過將更簡單的低通模擬濾波器與ADC的片上數字帶通濾波功能相結合來放寬模擬濾波器要求，從而創建“混合模式”抗混疊濾波器（圖3）。

圖3：設計人員可以通過將凌力爾特公司的LTC2500-32片上數字濾波器與其結合，實現所需的抗混疊濾波器（AAF）配置文件簡單的模擬濾波器。 （圖片來源：Linear Technology）

數字濾波

從廣義上講，數字濾波滿足了一項關鍵需求：去除帶外頻率成分，降低整體動態范圍和轉換質量。過去，開發人員經常使用專用硬件（包括DSP甚至FPGA）實現復雜的數字濾波器，以實現高速應用。 LTC2500-32的集成數字濾波器無需外部濾波解決方案，進一步降低了設計成本和復雜性。此外，LTC2500-32還支持多種內置光譜濾波器，包括扁平通帶濾波器（圖4A）和多個正弦濾波器（圖4B）。此外，平均濾波器可讓設計人員通過在最終濾波輸出中平均多達16,384個轉換結果來減少隨機噪聲的影響。

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）開發人員可根據需要進行調諧以通過或衰減特定頻率，以增強信號采集。 （圖像源：Linear Technology）

在平坦通帶和正弦濾波器的輸出上，抽取濾波器根據可編程的下采樣因子（DF）對濾波后的數據進行下采樣，提供每個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，對于任何ADC轉換頻率fSMPL，開發人員可以在應用不需要器件的最大1 MS/s最大采樣率時設置有效器件輸出數據頻率f0 = fSMPL/DF。

組合這些不同的濾波器類型和采樣靈活性還使設計人員能夠優化轉換過程的帶通和帶阻性能。通過將器件配置為在特定的fSMPL和DF下工作，開發人員可以根據需要移動f0選擇數字濾波器來傳遞或拒絕特定頻率。

如前所述，數字濾波算法用于增強高頻分辨率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雜，無論數字濾波器實現方法如何，延遲都相應地增加。對于LTC2500-32 ADC，支持的數字濾波器引入了可預測的延遲，隨著濾波器的復雜性而增長（圖5）。在每種濾波器類型中，DF的增加會增加有效濾波器的長度，從而增加濾波器的建立時間，從而增加其延遲。例如，雖然以DF = 4運行的sinc 1 濾波器類型可能導致3微秒（μs）延遲，但設置DF = 2048將導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過濾器（b）。 （圖片來源：Linear Technology）

轉換輸出

盡管增強轉換結果需要延遲，但需要即時轉換結果的應用程序可以簡單地訪問LTC2500-32無延遲輸出寄存器。在每次ADC內核轉換后，器件使用32位代碼更新無延遲輸出寄存器，該代碼包括超量程檢測位，24位值差分輸入電壓（IN + - IN - ）和7位共模輸入電壓（IN + + IN - ）/2。在轉換之間，主機MCU可以使用相關的串行數據時鐘輸入B（SCKB）通過專用串行數據輸出B（SDOB）引腳串行讀取該32位寄存器。

同樣，主機MCU可以通過單獨的數據輸出（SDOA）引腳和時鐘（SCKA）訪問濾波數據輸出寄存器。但是，對于濾波數據輸出，Linear利用了與平均或下采樣相關的濾波輸出寄存器更新之間的延長周期。例如，當平均濾波器被設置為平均四個采樣或者頻譜濾波器DF被設置為四時，濾波的輸出寄存器在產生濾波結果之前的三個轉換周期期間保持不變。利用LTC2500-32，開發人員可以在這三個轉換周期內延長輸出寄存器的串行讀出，允許使用較慢的時鐘來驅動SCKA。

此功能稱為分布式讀取，允許開發人員讀取每個ADC內核轉換周期之間的輸出寄存器的幾位。通過用至少一個但少于20個脈沖驅動SCKA引腳，主機可以在轉換周期之間移出相同數量的位。開發人員可以通過在轉換周期期間發出零脈沖或發出20個或更多脈沖來終止讀取過程，從而使器件更新濾波后的輸出寄存器并啟動下一個分布式讀取周期（圖6）。

圖6：利用Linear LTC2500-32分布式讀取功能，開發人員可以通過脈沖SCKA讀出濾波后的輸出寄存器的1到19位ADC轉換之間的相應脈沖數（DRL為低），通過在（最終）ADC轉換周期期間發出零脈沖完成讀取，并允許器件啟動下一個平均序列。 （圖像來源：Linear Technology）

無論用于讀取器件輸出的方法如何，開發人員只需要進行少量連接即可實現LTC2500-32與主機MCU之間的數字接口。硬件工程師通常可以將LTC2500-32直接連接到數字邏輯，因為該器件支持與其自身2.5伏電源引腳（VDD）分開的數字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數字邏輯組件，而無需電平轉換器。

設計人員可以進一步減少使用濾波和無延遲的應用的設計占用空間輸出。在這里，設計人員將LTC2500-32的每個輸出的獨立時鐘和串行數據線連接到單個時鐘線和來自MCU的數據線（圖7）。通過切換RDLA和RDLB，設計人員可以分別為串行數據輸出啟用濾波和無延遲輸出。

圖7：設計人員可以通過共享用于濾波（SCKA時鐘和SDOA數據）和無延遲（SCKB和SDOB）輸出的時鐘和數據連接來簡化MCU互連，使用RDLA和RDLB來啟用相應的輸出。 （圖像來源：凌力爾特公司）

設計人員通常會添加一個額外的連接，將主機GPIO連接到LTC2500-32串行數據輸入（SDI）引腳（如圖1所示），以進行編程器件配置。通過設置ADC的12位控制字中的位，設計人員可以選擇濾波器類型和下采樣因子。在各種特定操作狀態期間（例如在加電之后或轉換之間），設備打開“交易窗口”，允許設備讀入新的控制字。通過在此事務窗口中加載新的控制字，他們可以動態更改過濾器類型，DF設置或其他設備參數，以匹配信號特征或應用要求的變化。

然而，對于大多數設計，開發人員將在上電時對器件進行一次編程。在某些情況下，開發人員通過利用設備內置的一對預設配置來消除甚至此設備編程步驟。通過將LTC2500-32的預置（PRE）引腳置為高電平，開發人員可以根據SDI引腳的狀態選擇預置。如果SDI接低電平，LTC2500-32將通過其平均濾波運行。如果SDI為高電平，則使用其ssinc濾波器，DF = 64。

設計實現

雖然數字接口很簡單，但開發人員通常需要一些額外的組件來實現實用數據采集設計。在這些外部元件中，選擇合適的電壓基準是至關重要的。 LTC2500-32的REF引腳上的參考電壓設置轉換的最大輸入范圍。在轉換階段，ADC從REF吸取電荷，導致電流尖峰小，可能降低轉換。設計人員可以使用高精度5伏電壓基準（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。當電容緩沖增量電流消耗時，LTC6655-5確保參考電壓的偏差在整個ADC代碼范圍內保持小于0.5 ppm。

在ADC的IN + 和IN - 輸入，設計人員還需要確保信號保持無失真。理論上，任何低阻抗信號源都可以直接連接到LTC2500-32高阻抗輸入引腳。然而，實際上，設計人員可以使用快速建立放大器來緩沖ADC輸入，例如用于交流應用的Linear Technology LTC6363或LT6202，或用于DC應用的零漂移放大器，如Linear LTC2057。

除了緩沖輸入外，這些放大器還提供將輸入信號擺幅與ADC的全動態范圍匹配所需的信號調理，或將單端輸入轉換為全差分信號（圖8）。

圖8：開發人員可以使用凌力爾特公司的LT5400-4電阻網絡和快速建立的低噪聲LTC6363運算放大器來轉換單個將雙極AC輸入端接到LTC2500-32的差分信號。 （圖片來源：Linear Technology）

LTC2500-32相對簡單的接口要求使經驗豐富的設計人員能夠圍繞這一復雜設備快速實現完整的高分辨率數據采集設計。然而，無論設計經驗如何，構建用于全面評估LTC2500-32的電路的細節都可能會延遲尋求快速解決方案的項目。 DC2222A-A演示板簡化了原型設計和開發。

電路板本身提供了完整的硬件實現和相關的參考設計，包括原理圖，詳細的BOM和評估軟件。在電路板上，完整的模擬輸入緩沖電路提供了信號調理設計的詳細示例，并以多功放電路的詳細原理圖為后盾。對于更詳細的信號分析或應用開發，開發人員可以將DC2222A-A演示板連接到凌力爾特公司的兼容Arduino的DC590或DC2026 QuikEval系統或線性DC890 PScope USB數據采集板。

結論

過程控制和儀器的高精度應用的增長使開發人員不得不尋找能夠以高分辨率和零延遲提供結果的數據轉換解決方案。由于高分辨率轉換方法增加了轉換延遲，開發人員通過將較慢的高分辨率ADC與較快的低分辨率ADC配對來滿足這一需求。

而不是處理此方法固有的成本和復雜性開發人員現在可以使用能夠提供高分辨率而無延遲輸出的單個設備。使用Linear LTC2500-32，他們可以實現復雜的數據采集設計，能夠滿足高精度應用的各種要求。