24位ADC集成PGA的基本原理及适用于传感器密集型应用

Maxim的MAX11254是一款24位ADC，集成了6个差分通道、128x PGA、校准功能和三种时序模式，可实现数据采集系统的自动化，从而满足最具挑战性的传感器设计。本应用笔记介绍了三个应用实例，以帮助用户最大限度地发挥MAX11254的功能。对于我2C系统中，用MAX11259代替MAX11254。

介绍

随着物联网的出现，传感器技术最近在过去几年中爆炸式增长。 （物联网）。彭博社预测，与处理器集成的传感器市场将达到2.8万亿台设备 2019. 传感器是下一件大事，它们的集成需要模数转换器 （ADC） 来转换 传感器输出为数字 处理格式。传感器技术的改进要求ADC具有更高的功能， 集成了高分辨率、校准功能、嵌入式可编程增益放大器 （PGA） 和多个输入通道，可实现传感器接口的单芯片解决方案。

MAX11254/MAX11259为高度集成的ADC，包含6路差分模拟输入、6通道多路复用器、 一个PGA、一个Δ-Σ调制器和一个数字滤波器。为了适应需要多个输入的应用，提供了三种通道排序模式：

模式 1 禁用时序控制器，仅允许单通道转换，允许以最快的采样速率连续采样。

模式 2 允许以用户定义的自动序列在每个通道上进行转换。

模式 3 同时自动执行用于转换的通道多路复用器和 GPO/GPIO 状态。

本应用笔记讨论了三种时序模式，以帮助设计人员最大限度地发挥MAX11254/MAX11259 ADC的全部功能。对于需要SPI通信的系统，使用MAX11254。对于使用 I 的系统2C 通信时，使用MAX11259。本应用笔记仅举例说明MAX11254的使用，但MAX11259可以在所有应用中替代。图1所示为MAX11254的功能框图。

图1.MAX11254功能框图

应用示例1：连续小信号测量

对于需要连续采样的情况，MAX11254可以配置为时序器模式1，该模式 仅支持一个通道的连续采样。如果需要单通道ADC，MAX11214具有类似的架构，集成PGA和数字滤波器。

为了演示定序器模式1的连续采样能力，本文讨论了心电图（ECG）应用。心电图是一个应用示例，需要对放置在人体上的一对或几对差分导联线进行连续采样。从100μV至2-3mV最大峰值的身体范围内测量的ECG信号使其难以测量。MAX11254的PGA和连续采样能力使其成为一个很好的解决方案。对于需要同时采样多个通道的应用，MAX11040K是另一种选择。图2显示了使用单通道和 MAX11254。

图2.使用MAX11254的基本ECG原理图。

MAX11254要求正负基准输入端具有1.5V的最小差分电压。 使用最小电压范围可产生ADC的最小可检测电压阶跃。下式将ADC位分辨率与单极性应用中的最小可测量信号相关联。对于双极性操作， 将所得步长乘以系数 2。

其中n等于ADC的位分辨率，增益等于内部PGA的增益，V等于裁判是施加的基准电压。最大可测输入电压等于基准电压除以PGA增益。 使用1.5V的最小VREF和128x的最大增益值相当于698.5pV的最小步长和11.7mV的满量程测量。表1显示了MAX11254在不同配置下可获得的最大和最小分辨率。基于这些设置，MAX11254可以轻松测量 心电图信号。

表 1.ADC相对于基准电压、电压范围和PGA增益的阶跃分辨率

 

模式	基准电压 （V）	职业高尔夫球协会增益	步进分辨率（nV）
单极的	1.5	1	89.4
		128	0.7
	3.6	1	214.6
		128	1.7
双	1.5	1	178.8
		128	1.4
	3.6	1	429.2
		128	3.4

 

第二个设计标准是采样率。根据奈奎斯特定理，信号的采样率必须为 至少是信号最高频率成分的两倍，以防止混叠。ECG信号的频率成分范围在0到20Hz之间。MAX11254的采样速率高达64ksps，远高于要求的40Hz采样速率。为了确认MAX11254可以分辨ECG信号，使用ECG测量 MAX11254评估板图3所示为MAX11254EVKIT在1x PGA设置下记录的ECG读数的典型QRS曲线。连接到右手腕的电极连接到负输入，连接到左手腕的电极连接到正输入。图4显示了记录的ECG信号，使用以下命令 128 倍增益。较高的增益设置使QRS复合体更容易区分。对于集成ECG模拟前端，MAX30003为单芯片方案，也可检测心率。

图3.使用1倍增益的ECG波形。

图4.使用128倍增益的ECG波形。

设计人员可能会问：“当MAX11254可以选择旁路时，使用1倍PGA增益的目的是什么？ 美联社？即使不需要增益，利用PGA也会在信号源和 模数转换器。大多数ADC要求信号源具有低输出阻抗。Δ-Σ型ADC通常使用开关 调制器之前的电容输入级。信号发生器的高输出阻抗可能会中断 输入电容器的充电和放电速率，导致测量错误。

在序列器模式 1 中选择正确的转换方案

序列器模式 1 包含两种不同的连续采样方案以及执行 单次转换。这三种模式分为以下主题领域：单周期、单周期连续和连续转换。

单周期转换在转换到睡眠模式之前在指定通道上执行一次转换。 单周期连续和连续转换模式相似，但可用采样率不同。 单周期和单周期连续都允许采样率在50sps和12.8ksps之间;连续的 转换允许 1.9SPS 和 64ksps 之间的采样率。连续转换模式可任意选择 演示心电图应用;单周期连续转换也同样有效。使用连续转换模式有一个缺点：延迟。延迟是发出命令以将设备置于连续转换后第一次转换的启动延迟。延迟是从发出命令后的芯片选择位的上升沿到数据就绪位的下降沿测量的，表示有新的转换可用。延迟持续时间取决于采样率，如表2所示。表 2 包含两个延迟因子列。第一个延迟因子列将启动延迟与标称采样率进行比较;第二个延迟因子列将启动延迟与后续转换的测量采样率相关联。

表 2.连续模式采样率的延迟系数

 

标称采样率 （SPS）	启动延迟（μs）	相对于标称采样率的延迟系数	相对于测量采样率的延迟因子
1.9	509421.02	0.97	1.00
3.9	254787.34	0.99	1.00
7.8	127559.76	0.99	1.00
15.6	63924.78	1.00	1.00
31.2	32103.76	1.00	1.01
62.5	16173.1	1.01	1.02
125	8216.6	1.03	1.03
250	4242.24	1.06	1.07
500	2251.38	1.13	1.13
1000	1257.8	1.26	1.27
2000	760.3	1.52	1.53
4000	512.22	2.05	2.06
8000	387.42	3.10	3.12
17000	325.36	5.21	5.24
32000	170	5.44	5.47
64000	92.14	5.90	5.93

 

自校准程序

校准是任何测量系统中的重要步骤，可分为两种校准类型： 自校准和系统校准。自校准特定于ADC的调制器，可确保施加到调制器输入的电压相对于所选基准电压正确缩放。自校准排除了调制器外部的所有内容，包括集成电路内部的其他功能块 （IC）等PGA。系统校准包括调制器周围的外部模块，并确保施加到IC引脚的电压相对于基准电压正确缩放。必须在系统校准之前进行自校准。

在进行测量之前运行自校准程序可确保准确的测量。应在每个系统架构中实现自校准;如果没有自校准，测量可能会包含误差 超过 400 mV。自校准实现两个独立的校准：失调和增益校准。这是 通过零刻度和满量程读数完成。零电平测量使调制器输入短路 一起在内部启动转换。处理结果会产生自校准偏移 系数 （SCOC），保存到 SCOC 寄存器中。校准的第二阶段连接 在内部将基准电压输入到调制器输入端，启动转换，将测量处理到 生成自校准增益系数，并将该值保存到自校准增益系数中 （SCGC）注册。

应用校准系数

自校准完成后，必须先启用校准系数，然后才能自动启用 应用于测量结果。每个校准系数有两个内部寄存器：一个内部 寄存器，用于存储硬件校准产生的校准系数，以及SPI可写寄存器 用户可以修改。两个不同的寄存器允许在用户编程和 硬件生成的校准系数。如果用户希望为每个单独的校准系数 通道，用户可以对每个通道进行校准，然后将这些值保存到微控制器。 在给定通道上执行转换时，用户可以编辑具有所需 开始转换前的校准系数。这种类型的校准方案仅在以下情况下可用 音序器模式 1.

寄存器 CTRL3 中的最低有效字节控制校准系数的实现。无论是 用户编程和硬件生成的校准寄存器使用相同的地址。CTRL3 控件中的位 CALREGSEL 在转换中实现的校准寄存器。用户编程和硬件生成的校准 系数可以通过发出系统偏移系数（SOC）的读取命令随时读取，系统 增益系数 （SGC）、SCOC 和 SCGC 寄存器，同时适当选择 CALREGSEL 的值。 值为 1 的 CALREGSEL 返回用户编程的值，而值为 0 的返回硬件生成的值 值。

应用校准系数会消耗时间，从而降低采样率;执行的校准越多， 采样率越慢。表3记录了单周期和单周期的测量转换时间 序列器模式 1 中的连续模式相对于三种校准方案。表4记录了测量值 序列器模式 1 中连续模式相对于三种校准方案的转换时间。连续 在转换模式下，ADC始终实现高于标称采样率的采样率 校准方案。应该注意的是，在所有转换期间，转换时间存在一些变化。 表中的值应被视为标称值，用户应预期一些变化。

表 3.不同校准的单周期和单周期连续采样的测量转换时间 实现

 

标称 （SPS）	单周期采样率			单周期连续采样率
	无校准 （SPS）	自校准 （SPS）	自我和系统校准 （SPS）	无校准 （SPS）	自校准 （SPS）	自我和系统校准（SPS
50	50.24	50.24	50.17	50.25	50.21	50.2
62.5	62.78	62.77	62.72	62.82	62.79	62.75
100	100.43	100.35	100.29	100.47	100.41	100.33
125	125.47	125.3	125.27	125.55	125.45	125.34
200	200.54	200.21	200.02	200.73	200.47	200.21
250	250.43	249.95	249.7	250.74	250.39	249.99
400	399.38	398.38	398.01	400.1	399.63	398.74
500	498.72	496.78	496.25	499.88	498.65	497.4
800	794.89	789.52	788.48	797.85	794.3	791.38
1000	988.72	980.21	966.3	993.37	987.7	983.51
1600	1566.02	1545.09	1542.22	1576.86	1563.55	1553.22
2000	1951.93	1914.65	1901.21	1969.33	1947.7	1932.27
3200	3050.74	2969.89	2961.95	3096.07	3040.73	3003.31
4000	3792.05	3668.47	3656.07	3856.94	3777.64	3719.74
6400	5866.93	5573.53	5547.98	6029.03	5830.06	5697.08
12800	10786.54	9842.52	9468.52	11389.2	10629.2	10235.35

 

表 4.针对不同校准实施的连续采样的测量转换时间

 

连续采样率
标称 （SPS）	无校准 （SPS）	自校准 （SPS）	自我和系统校准 （SPS）
1.9	1.97	1.96	1.96
3.9	3.93	3.93	3.93
7.8	7.86	7.86	7.86
15.6	15.72	15.72	15.72
31.2	31.45	31.43	31.28
62.5	62.90	62.87	62.84
125	125.79	125.74	125.67
250	251.57	251.49	251.31
500	503.09	502.41	502.74
1000	1006.06	1005.88	1005.52
2000	2011.99	2011.18	2010.86
4000	4024.04	4024.14	4023.34
8000	8048.29	8044.41	8043.76
16000	16096.15	16092.69	16084.93
32000	32199.21	32185.39	32175.03
64000	64391.50	64391.50	64377.69

 

应用示例2：多通道测量

压力传感器和应变片通常用于电子秤，根据 在秤的感应范围内。例如，测量体重的消费秤不会提供相同的 分辨率作为测量用于反应的化学物质质量的科学尺度。化工原料 抛光（CMP）是另一种需要非常精确地测量施加到晶圆的压力的应用 在抛光过程中。无论何种应用，压力传感器都围绕以下基本原理展开： 将机械能转化为电能。

制作秤有几种可能的配置;所示示例使用四个负载传感器进行转换 机械应变成电信号。负载传感器的典型设计使用惠斯通电桥配置 包含两个由压电材料制成的电阻器和两个标准电阻器。两个并行 电阻网络由中心形成差分电压形成。一个压阻电阻器在 每个平行字符串的方向相反。施加的压力在 两个并联电阻网络的两个中心点。差分电压由ADC和 处理以计算施加到传感器的压力。图5所示为MAXREFDES82#的框图，MAXREFDES82#是集成MAX11254 ADC构建智能力传感器的参考设计。

图5.MAXREFDES82# 框图。

MAXREFDES82# 使用时序控制器模式 2 唤醒，循环切换四个模拟输入，然后重新进入睡眠模式。 使用四个负载传感器可以估计所施加力的质心和位置。

MAX11254包括多个GPIO引脚，具有多种用途，包括器件同步、外部 时钟输入或数字输出。序列器模式 1 和 2 要求用户手动控制 GPO/GPIO 引脚使用 GPO_DIR 和 GPIO_CTRL 寄存器，而序列器模式 3 可以自动控制 GPO/GPIO 引脚。GPO 引脚是将其输入连接到 GPOGND 引脚的模拟开关。 这允许用户在不需要传感器时断开传感器接地路径，从而节省电源 三种排序模式中的任何一种。

应用示例3：电源效率

为了获得最节能的系统，可以将系统设置为自动唤醒，使能传感器， 执行信号转换，然后禁用传感器并返回睡眠状态。这一切都可以完成 使用音序器模式 3。通过使用GPIO引脚作为数字输出，它们可用于控制传感器本身 或为传感器供电的设备，例如 LDO。或者，可以连接传感器接地回路节点 到 GPO 引脚，以便用户可以在不需要传感器时“断开”电路路径。图 6 强调 连接到GPO引脚的两个惠斯通电桥接地节点的连接。

图6.电路示例为惠斯通电桥接地节点连接到MAX11254的GPO引脚。

打开和关闭传感器的一个问题是，传感器在 该通道的测量值。MAX11254具有延迟寄存器，允许转换延迟 以及 GPO/GPIO 的延迟，以便遵守适当的时间限制。通过使用 GPO/GPIO 引脚 实际上，系统可以更高效地运行。

结论

MAX11254为高度集成的ADC，具有丰富的功能，几乎适用于任何应用。 24 位分辨率和 PGA 允许测量从 pV 到 V 的信号。三种排序模式提供 通道转换时序具有高度灵活性，可通过限制处理器干预来节省系统功耗。 校准方案可确保可靠和一致的测量，并且 GPO/GPIO 功能可用于 创建更智能、更节能的传感器系统。

审核编辑：郭婷