引言
Delta-Sigma(增量累加)類比數位轉換器(ADC)具高準確度和抗雜訊性能，非常適用於直接測量多種類型的感測器。需要高準確度測量的感測器(如 RTD、pH感測器和橋式感測器)固有阻抗也很高。ADC的輸入採樣電流可能壓垮高源阻抗或小頻寬、微功率信號調節電路。
問題源自增量累加轉換器的開關電容器輸入結構。作為最終輸出代碼的函數，電容器在輸入、基準和地之間迅速切換(高達10MHz)。每次電容器切換到 ADC輸入都會產生一個電流脈衝。在ADC輸入引腳可以看到充電/放電脈衝波形。該波形是輸入和基準電壓的複雜函數。外部RC網路、高阻抗感測器和微功率放大器如果在每個採樣週期中沒有完全穩定，就會引起大的直流誤差。
解決這個問題的竅門是利用增量累加轉換器的過採樣特性。前端電容器每採樣一次就切換一次，這與常規增量累加轉換器採樣完全相同。凌力爾特公司的創新性Easy Drive前端採樣架構控制電容器陣列的切換方式。在對整個轉換週期求和時，總體差動輸入電流為零，與差動輸入電壓、共模輸入電壓、基準電壓或輸出代碼無關。共模輸入電流是恆定的，與輸入共模電壓和基準共模電壓之差成正比。
這些Easy Drive ADC功能豐富，不會導致相應的設計複雜性。在很多應用中，輸入不需要主動放大或濾波。軟體介面採用單個輸入暫存器和單個輸出暫存器，與其他ADC相比有了極大簡化。與ADC有關的很多複雜性問題(如外部元件和軟體定時)都沒有了，從而節省了大量設計和測試時間。
熱敏電阻測量舉例
增量累加ADC的一個常見應用是熱敏電阻測量。圖1顯示了兩個用Easy Drive技術實現熱敏電阻數位化的例子。第一個電路(接到輸入通道CH0和CH1)採用兩個相等的基準電阻，以平衡共模輸入/基準電壓，並平衡差動輸入源電阻。如果基準電阻R1和R4嚴格相等，那麼輸入電流為零，沒有誤差產生。如果這些電阻的容限是1%，那麼，由於共模電壓漂移，測得電阻的最大誤差是 1.6Ω，遠低於基準電阻自身的1%誤差。由於無需放大器，因此這個解決方案非常適合微功率應用。
這種架構還使功率非常低的窄頻寬放大器能夠驅動LTC2492 ADC的輸入。如圖1所示，CH2由LT1494驅動。就一個放大器而言，LT1494具有卓越的直流性能規格，電源電流為1.5uA，最大失調電壓為150uV，開迴路增益為100,000。然而，2kHz頻寬使其不適合驅動常規增量累加ADC。增加一個 1kΩ、0.1uF的濾波器，形成一個電荷庫，向LTC2492提供暫態電流，可以解決這個問題，同時1kΩ電阻隔離容性負載和LT1494。常規增量累加ADC的輸入採樣電流由於在外部RC網路中不完全穩定而導致直流誤差。通過用1kΩ-0.1uF RC網路平衡負輸入(CH3)，可消除共模輸入電流導致的誤差。
圖1：高阻抗熱敏電阻可以直接連接到ADC或透過緩衝器/低通濾波器組合連接
高性能資料獲取
Easy Drive ADC具有軟體相容的24位元和16位元、單通道、4通道及16通道版本，這是大量應用中的常見元件。24位、16通道LTC2498整合了溫度感測器，非常適合高性能資料獲取系統。它可以無需任何信號調節而直接對熱電耦進行數位化，並提供冷節點補償。它還可以直接測量低電平應變儀輸出。同時，增加一個簡單的電阻分壓器而無需主動電路，該元件就可以處理高於5V的工業感測器電壓。
16位元16通道轉換器適合測量有幾個大電流電源的大型電路板上的電壓和電流。如果COM引腳在所有電源的共用地點接地，那麼可以進行多達16路以地為基準的測量。只要並聯共模電壓低於或等於ADC的電源電壓，那麼使用差動輸入(多達8個差動輸入通道)允許進行高端電流並聯檢測。差動測量還允許遠端檢測電壓，消除了大的地電流所引起的誤差。圖2是測量多個應變儀、電流檢測和測量遠端感測器的例子。
外部緩衝器/放大器的自動失調校準
除了Easy Drive輸入電流消除，16通道Easy Drive ADC還允許在多工轉換器輸出和ADC輸入之間插入一個外部放大器。在不可能平衡源阻抗或源阻抗非常高的應用中，這很有用。所有16個類比輸入和共模輸入(COM)可以共用一對外部緩衝器/放大器。LTC2494是LTC2498的16位版本，具有可編程增益。LTC2494在每個轉換週期中都進行一次內部失調校準，以去除ADC的失調和漂移。這種校準是透過前端切換和數位處理進行的。既然外部放大器放在多工轉換器和ADC之間，那麼它也在這個校正迴路之內。因此，這可以自動去除外部放大器的失調和偏壓漂移。
就這種功能而言，LTC6078是一個出色的放大器。它以低至2.7V的電源電壓工作，其電壓雜訊水準為非常低的18nV/√Hz。LTC2494的Easy Drive輸入允許RC網路直接加到LTC6078的輸出端。電容器降低ADC輸入端的電流尖峰幅度，電阻隔離電容器負載和運算放大器輸出，實現穩定工作。
Easy Drive 的優點
用增量累加ADC實現電源測量的另一個顯著優點是，非常強有力地抑制雜訊和開關暫態。ADC的內部SINC4濾波器加上ADC輸入端的簡單單極點濾波器足以將開關電源雜訊衰減到ADC雜訊層之下。結果，可以極端準確地測量電源電壓或電流的DC值。
單通道16位元LTC2482非常適用於成本敏感型應用，如可攜式醫療設備和消費類電子產品。不過，不要只看到該元件相對低的成本，它實質上是一個完美的16位 元ADC，具有與24位元元件同樣的600nV輸入雜訊層。這意味著，它也非常適用於具有±1計數線性度性能規格的4 1/2位元掌上型或桌上型電壓表。
18個可用的Easy Drive ADC包括單通道或多通道版本，具有I2C或 SPI介面。24位元元件適合性能非常高的應用，而16 位元元件適合通用型應用。16位元元件的增益是數位可編程(PGA)的，以滿足中階需求或需要考慮幾種輸入範圍的情況。
軟體介面
這些ADC的類比介面要求很簡單，就像它們的串列介面也很簡單一樣。無延遲增量累加(No Latency Delta-Sigma)架構消除了多通道元件切換通道後必須丟棄讀數的煩惱。串列介面直接控制轉換的開始，這樣外部信號調理或感測器激勵就可以在恰當的時間用開關接入電路。每次轉換中的固有失調和增益校準消除了對複雜內部暫存器設置或校準週期的需求。SPI和I2C介面元件的通信都是簡單的讀/寫操作，讀取一次轉換資料的同時，對下一個通道的配置編程並將編程值送入ADC。
凌力爾特公司的網站上列舉了一些基本的增量累加ADC SPI和I2C通信的例子，並提供了相應的軟體/固件幫助資訊。
儘管Easy Drive串列介面容易編程，讀取樣本N的資料時對樣本N+1的通道編程就行了，但是通過偵錯程式查看通道微控制器暫存器時，要確定剛剛讀取的是什麼，可能仍然有點棘手。這裏提供一個硬體技巧，可以極大地減輕代碼設計難度。圖4顯示了一個簡單電路，這個電路將一個已知電壓加到每個單端輸入上。各通道的值如圖所示，CH0的電壓為101mV，CH1為202mV，依此類推直到CH15，其值為1.616V。用這種設置可以迅速確定SDI字與輸入通道的對應關係。
結論
有了Easy Drive ADC架構，測量高阻抗感測器很容易。設計師也許可以擺脫ADC前面的放大器，並在ADC輸入端增加一個小的去耦電容器作為電荷庫。完整的Easy Drive ADC系列有單通道和多通道版本、I2C和SPI、16位或24位解析度，這使準確數位化任何類型的感測器、負載電流或電壓成為可能。
Delta-Sigma(增量累加)類比數位轉換器(ADC)具高準確度和抗雜訊性能，非常適用於直接測量多種類型的感測器。需要高準確度測量的感測器(如 RTD、pH感測器和橋式感測器)固有阻抗也很高。ADC的輸入採樣電流可能壓垮高源阻抗或小頻寬、微功率信號調節電路。
問題源自增量累加轉換器的開關電容器輸入結構。作為最終輸出代碼的函數，電容器在輸入、基準和地之間迅速切換(高達10MHz)。每次電容器切換到 ADC輸入都會產生一個電流脈衝。在ADC輸入引腳可以看到充電/放電脈衝波形。該波形是輸入和基準電壓的複雜函數。外部RC網路、高阻抗感測器和微功率放大器如果在每個採樣週期中沒有完全穩定，就會引起大的直流誤差。
解決這個問題的竅門是利用增量累加轉換器的過採樣特性。前端電容器每採樣一次就切換一次，這與常規增量累加轉換器採樣完全相同。凌力爾特公司的創新性Easy Drive前端採樣架構控制電容器陣列的切換方式。在對整個轉換週期求和時，總體差動輸入電流為零，與差動輸入電壓、共模輸入電壓、基準電壓或輸出代碼無關。共模輸入電流是恆定的，與輸入共模電壓和基準共模電壓之差成正比。
這些Easy Drive ADC功能豐富，不會導致相應的設計複雜性。在很多應用中，輸入不需要主動放大或濾波。軟體介面採用單個輸入暫存器和單個輸出暫存器，與其他ADC相比有了極大簡化。與ADC有關的很多複雜性問題(如外部元件和軟體定時)都沒有了，從而節省了大量設計和測試時間。
熱敏電阻測量舉例
增量累加ADC的一個常見應用是熱敏電阻測量。圖1顯示了兩個用Easy Drive技術實現熱敏電阻數位化的例子。第一個電路(接到輸入通道CH0和CH1)採用兩個相等的基準電阻，以平衡共模輸入/基準電壓，並平衡差動輸入源電阻。如果基準電阻R1和R4嚴格相等，那麼輸入電流為零，沒有誤差產生。如果這些電阻的容限是1%，那麼，由於共模電壓漂移，測得電阻的最大誤差是 1.6Ω，遠低於基準電阻自身的1%誤差。由於無需放大器，因此這個解決方案非常適合微功率應用。
這種架構還使功率非常低的窄頻寬放大器能夠驅動LTC2492 ADC的輸入。如圖1所示，CH2由LT1494驅動。就一個放大器而言，LT1494具有卓越的直流性能規格，電源電流為1.5uA，最大失調電壓為150uV，開迴路增益為100,000。然而，2kHz頻寬使其不適合驅動常規增量累加ADC。增加一個 1kΩ、0.1uF的濾波器，形成一個電荷庫，向LTC2492提供暫態電流，可以解決這個問題，同時1kΩ電阻隔離容性負載和LT1494。常規增量累加ADC的輸入採樣電流由於在外部RC網路中不完全穩定而導致直流誤差。通過用1kΩ-0.1uF RC網路平衡負輸入(CH3)，可消除共模輸入電流導致的誤差。
圖1：高阻抗熱敏電阻可以直接連接到ADC或透過緩衝器/低通濾波器組合連接
高性能資料獲取
Easy Drive ADC具有軟體相容的24位元和16位元、單通道、4通道及16通道版本，這是大量應用中的常見元件。24位、16通道LTC2498整合了溫度感測器，非常適合高性能資料獲取系統。它可以無需任何信號調節而直接對熱電耦進行數位化，並提供冷節點補償。它還可以直接測量低電平應變儀輸出。同時，增加一個簡單的電阻分壓器而無需主動電路，該元件就可以處理高於5V的工業感測器電壓。
16位元16通道轉換器適合測量有幾個大電流電源的大型電路板上的電壓和電流。如果COM引腳在所有電源的共用地點接地，那麼可以進行多達16路以地為基準的測量。只要並聯共模電壓低於或等於ADC的電源電壓，那麼使用差動輸入(多達8個差動輸入通道)允許進行高端電流並聯檢測。差動測量還允許遠端檢測電壓，消除了大的地電流所引起的誤差。圖2是測量多個應變儀、電流檢測和測量遠端感測器的例子。
外部緩衝器/放大器的自動失調校準
除了Easy Drive輸入電流消除，16通道Easy Drive ADC還允許在多工轉換器輸出和ADC輸入之間插入一個外部放大器。在不可能平衡源阻抗或源阻抗非常高的應用中，這很有用。所有16個類比輸入和共模輸入(COM)可以共用一對外部緩衝器/放大器。LTC2494是LTC2498的16位版本，具有可編程增益。LTC2494在每個轉換週期中都進行一次內部失調校準，以去除ADC的失調和漂移。這種校準是透過前端切換和數位處理進行的。既然外部放大器放在多工轉換器和ADC之間，那麼它也在這個校正迴路之內。因此，這可以自動去除外部放大器的失調和偏壓漂移。
就這種功能而言，LTC6078是一個出色的放大器。它以低至2.7V的電源電壓工作，其電壓雜訊水準為非常低的18nV/√Hz。LTC2494的Easy Drive輸入允許RC網路直接加到LTC6078的輸出端。電容器降低ADC輸入端的電流尖峰幅度，電阻隔離電容器負載和運算放大器輸出，實現穩定工作。
Easy Drive 的優點
用增量累加ADC實現電源測量的另一個顯著優點是，非常強有力地抑制雜訊和開關暫態。ADC的內部SINC4濾波器加上ADC輸入端的簡單單極點濾波器足以將開關電源雜訊衰減到ADC雜訊層之下。結果，可以極端準確地測量電源電壓或電流的DC值。
單通道16位元LTC2482非常適用於成本敏感型應用，如可攜式醫療設備和消費類電子產品。不過，不要只看到該元件相對低的成本，它實質上是一個完美的16位 元ADC，具有與24位元元件同樣的600nV輸入雜訊層。這意味著，它也非常適用於具有±1計數線性度性能規格的4 1/2位元掌上型或桌上型電壓表。
18個可用的Easy Drive ADC包括單通道或多通道版本，具有I2C或 SPI介面。24位元元件適合性能非常高的應用，而16 位元元件適合通用型應用。16位元元件的增益是數位可編程(PGA)的，以滿足中階需求或需要考慮幾種輸入範圍的情況。
軟體介面
這些ADC的類比介面要求很簡單，就像它們的串列介面也很簡單一樣。無延遲增量累加(No Latency Delta-Sigma)架構消除了多通道元件切換通道後必須丟棄讀數的煩惱。串列介面直接控制轉換的開始，這樣外部信號調理或感測器激勵就可以在恰當的時間用開關接入電路。每次轉換中的固有失調和增益校準消除了對複雜內部暫存器設置或校準週期的需求。SPI和I2C介面元件的通信都是簡單的讀/寫操作，讀取一次轉換資料的同時，對下一個通道的配置編程並將編程值送入ADC。
凌力爾特公司的網站上列舉了一些基本的增量累加ADC SPI和I2C通信的例子，並提供了相應的軟體/固件幫助資訊。
儘管Easy Drive串列介面容易編程，讀取樣本N的資料時對樣本N+1的通道編程就行了，但是通過偵錯程式查看通道微控制器暫存器時，要確定剛剛讀取的是什麼，可能仍然有點棘手。這裏提供一個硬體技巧，可以極大地減輕代碼設計難度。圖4顯示了一個簡單電路，這個電路將一個已知電壓加到每個單端輸入上。各通道的值如圖所示，CH0的電壓為101mV，CH1為202mV，依此類推直到CH15，其值為1.616V。用這種設置可以迅速確定SDI字與輸入通道的對應關係。
結論
有了Easy Drive ADC架構，測量高阻抗感測器很容易。設計師也許可以擺脫ADC前面的放大器，並在ADC輸入端增加一個小的去耦電容器作為電荷庫。完整的Easy Drive ADC系列有單通道和多通道版本、I2C和SPI、16位或24位解析度，這使準確數位化任何類型的感測器、負載電流或電壓成為可能。
