深入了解LTC1091/LTC1092/LTC1093/LTC1094数据采集系统

深入了解LTC1091/LTC1092/LTC1093/LTC1094数据采集系统

在电子工程师的日常设计工作中，数据采集系统是一个关键的组成部分。今天我们要详细探讨的是 Linear Technology 公司的 LTC1091/LTC1092/LTC1093/LTC1094 系列 10 位数据采集系统，它们在模拟数据数字化处理方面有着出色的表现。

文件下载：LTC1092ACN8#PBF.pdf

一、产品概述

LTC1091/LTC1092/LTC1093/LTC1094 是 10 位数据采集系统，适用于从各种信号源和传感器中数字化模拟数据。这些器件围绕 10 位开关电容逐次逼近 A/D 内核构建，内置软件可配置的模拟多路复用器、双极性和单极性转换模式以及片上采样保持电路。片上串行端口能高效地将数据传输到各种微处理器和微控制器中。它们不仅能在比例应用中提供完整的数据采集系统，还能在其他应用中与外部参考配合使用。

二、产品特性

1. 可编程特性丰富
   • 支持单极性/双极性转换，以及差分/单端多路复用器配置，工程师可以根据不同的应用需求灵活选择转换模式和多路复用器配置。
   • 具备采样保持功能，能够对快速变化的信号进行准确采集。
2. 电源灵活性高
   • 可采用单电源 5V、10V 或 ±5V 供电，适应不同的电源环境。
3. 通信接口便捷
   • 能直接通过 3 线或 4 线与大多数 MPU 串行端口和所有 MPU 并行 I/O 端口相连，实现高效的数据传输。
4. 高精度与高性能
   • 模拟输入共模范围可达电源轨，分辨率为 10 位，能满足较高的精度要求。
   • A 级器件在全温度范围内的总未调整误差为 ±1LSB，温度漂移极低，典型的失调、线性度和满量程误差温度漂移仅为 1ppm/°C。
   • 转换时间快，仅需 20µs，可快速完成数据采集。
5. 低功耗设计
   • LTC1091 的最大电源电流为 3.5mA，典型值为 1.5mA；LTC1092/LTC1093/LTC1094 的最大电源电流为 2.5mA，典型值为 1mA，适合对功耗有要求的应用场景。

三、引脚功能

不同型号的引脚功能有所不同，下面分别介绍：

1. LTC1091/LTC1092
   • CS（引脚 1）：芯片选择输入，低电平有效，用于使能器件。
   • CH0、CH1/+IN、–IN（引脚 2、3）：模拟输入引脚，输入信号需相对于 GND 无噪声。
   • GND（引脚 4）：模拟地，应直接连接到模拟接地平面。
   • DIN（引脚 5）（LTC1091）：数字数据输入，用于输入多路复用器地址。
   • VREF（引脚 5）（LTC1092）：参考输入，定义 A/D 转换器的量程，需相对于 AGND 无噪声。
   • DOUT（引脚 6）：数字数据输出，输出 A/D 转换结果。
   • CLK（引脚 7）：移位时钟，同步串行数据传输。
   • VCC(VREF)（引脚 8）（LTC1091）：正电源和参考电压，需通过旁路电容直接连接到模拟接地平面，以消除噪声和纹波。
   • VCC（引脚 8）（LTC1092）：正电源电压，同样需进行旁路处理。
2. LTC1093/LTC1094
   • CH0 至 CH5/CH0 至 CH7（引脚 1 至 6/引脚 1 至 8）：模拟输入引脚，输入信号需相对于 AGND 无噪声。
   • COM（引脚 7/引脚 9）：公共端，定义所有单端输入的零参考点，需无噪声，通常连接到模拟接地平面。
   • DGND（引脚 8/引脚 10）：数字地，为内部逻辑提供接地。
   • V–（引脚 9/引脚 11）：负电源，在单电源应用中可接地。
   • AGND（引脚 10/引脚 12）：模拟地，应直接连接到模拟接地平面。
   • VREF（引脚 11）（LTC1093）：参考输入，需相对于 AGND 无噪声。
   • REF+、REF–（引脚 13、14）（LTC1094）：参考输入，同样需无噪声。
   • DIN（引脚 12/引脚 15）：数据输入，用于输入 A/D 配置字。
   • DOUT（引脚 13/引脚 16）：数字数据输出，输出 A/D 转换结果。
   • CS（引脚 14/引脚 17）：芯片选择输入，低电平有效。
   • CLK（引脚 15/引脚 18）：移位时钟，同步串行数据传输。
   • VCC（引脚 16）（LTC1093）：正电源，需进行旁路处理。
   • AVCC、DVCC（引脚 19、20）（LTC1094）：正电源，应连接在一起并进行旁路处理。

四、数字方面的考虑

1. 串行接口
   • LTC1091/LTC1093/LTC1094 通过同步、半双工的 4 线串行接口与微处理器和其他外部电路通信，而 LTC1092 使用 3 线接口。时钟（CLK）同步数据传输，每个位在 CLK 下降沿发送，在上升沿捕获。
   • 数据传输由片选信号（CS）的下降沿启动。LTC1091/LTC1093/LTC1094 先接收输入数据，然后返回 A/D 转换结果。由于是半双工操作，DIN 和 DOUT 可以连接在一起，通过 CS、CLK 和 DATA（DIN/DOUT）三根线进行传输。
   • LTC1092 无需配置输入字，CS 下降沿启动数据传输，第一个 CLK 脉冲使能 DOUT，经过一个空比特后，输出 A/D 转换结果。
2. 输入数据字
   • LTC1092 无需 DIN 字，永久配置为单差分输入和单极性模式，转换结果以 MSB 优先或 LSB 优先的顺序输出。
   • LTC1091/LTC1093/LTC1094 的输入数据字定义不同。LTC1091 的输入数据字包含 START、SGL/DIFF、ODD/SIGN、MSBF、MUX ADDRESS 等位；LTC1093/LTC1094 的输入数据字包含 START、SELECT 1、SELECT 0、UNI、MSBF、SGL/DIFF、ODD/SIGN、MUX ADDRESS 等位。
3. 适应不同字长的微处理器
   • LTC1091/LTC1093/LTC1094 在传输数据后会持续填充零，直到 CS 变为高电平，此时 DOUT 线禁用。这使得它们能够方便地与不同传输增量的 MPU 串行端口接口，如 4 位和 8 位端口。
4. DIN 和 DOUT 连接在一起的操作
   • LTC1091/LTC1093/LTC1094 可以将 DIN 和 DOUT 连接在一起，减少与 MPU 通信所需的线路。处理器连接到该数据线的引脚应可配置为输入或输出。例如，LTC1091 在收到起始位后的第 4 个 CLK 下降沿会控制数据线并将其拉低，因此处理器端口线必须在此之前切换为输入。
5. 微处理器接口
   • 这些器件可以直接与大多数流行的微处理器同步串行格式接口，无需外部硬件。如果使用没有专用串行端口的 MPU，可以将其并行端口的三到四根线编程为与 LTC1091/LTC1092/LTC1093/LTC1094 形成串行链路。文档中给出了与摩托罗拉 SPI（如 MC68HC05C4）和英特尔 8051 系列并行端口接口的示例。

五、模拟方面的考虑

1. 接地
   • 建议使用模拟接地平面和单点接地技术。AGND 引脚（LTC1091/LTC1092 上的 GND）应直接连接到接地平面，DGND 引脚也可直接连接。VCC 引脚应通过 4.7µF 钽电容旁路到接地平面，AVCC 和 DVCC 在 LTC1094 上应连接在一起，V–引脚应通过 0.1µF 陶瓷圆盘电容旁路。
2. 旁路
   • VCC 必须无噪声和纹波，否则会在转换周期中引入误差或噪声。LTC1091 的 VCC(VREF)引脚定义了 A/D 转换器的电压量程，其旁路尤为重要。通过使用 4.7µF 钽电容将 VCC 引脚直接旁路到模拟接地平面，可以将噪声和纹波保持在 1mV 以下。
3. 模拟输入
   • 由于采用电容式再分配 A/D 转换技术，模拟输入存在电容式开关输入电流尖峰。这些尖峰很快会稳定，但如果使用大源电阻或慢速稳定的运算放大器驱动输入，需要确保在转换开始前电流尖峰引起的瞬态完全稳定。
   • 模拟输入等效为 60pF 电容（CIN）与 500Ω 电阻（RON）串联，大的外部源电阻和电容会减慢输入的稳定速度，因此需要确保整体 RC 时间常数足够短，以允许模拟输入在允许时间内完全稳定。
   • “+”输入在采样阶段（tSMPL）必须完全稳定，可通过减小 RSOURCE+和 C1 或降低 CLK 频率来改善输入稳定时间。“–”输入在转换的第一个 CLK 周期内必须完全稳定且无噪声，同样可通过减小 RSOURCE–和 C2 或降低 CLK 频率来实现。
   • 当使用运算放大器驱动模拟输入时，运算放大器必须在允许时间内稳定。大多数运算放大器，如 LT1006 和 LT1013 单电源运算放大器，在最大时钟速率 500kHz 下，即使在最小稳定窗口（“+”输入 3µs，“–”输入 2µs）内也能稳定。
   • 可以使用 RC 网络对输入进行滤波，选择小电阻和大电容的滤波器可防止电阻上的直流压降。输入泄漏电流在源电阻过大时也会产生误差，温度降低时泄漏电流会迅速下降。
4. 采样保持
   • 对于单端输入，LTC1091/LTC1093/LTC1094 提供内置采样保持功能，允许对快速变化的信号进行转换。输入电压在 tSMPL 时间内采样，采样间隔从 MSBF 位前的位移入开始，到 MSBF 位收到后的 CLK 下降沿结束，此时采样保持进入保持模式，转换开始。
   • 对于差分输入，A/D 转换的是两个电压之间的差值。“+”输入电压可以快速变化，但“–”输入电压在整个转换时间（10 个 CLK 周期）内必须保持恒定且无噪声和纹波，否则会导致转换误差。
5. 参考输入
   • 参考输入之间的电压定义了 A/D 转换器的电压量程。参考输入主要表现为 10k 电阻，但由于开关电容转换技术，会有瞬态电容式开关电流。在转换的每个位测试（每个 CLK 周期）中，A/D 会在参考引脚上产生电容式电流尖峰，这些尖峰很快会稳定。
   • 驱动参考输入时，应确保源电阻（ROUT）低于 1Ω，以防止最大 1mA 参考电流（IREF）引起的直流压降。参考输入上的瞬态必须在每个位测试中完全稳定，可使用较慢的 CLK 频率来增加参考稳定时间。建议将 LTC1094 的 REF 输入直接连接到模拟接地平面，且其电压在转换周期内不能变化，必须无噪声和纹波。
6. 降低参考电压操作
   • LTC1091 的最小参考电压限制为 4.5V，因为 VCC 电源和参考内部相连。而 LTC1092/LTC1093/LTC1094 可以在低于 1V 的参考电压下工作。
   • 通过减小转换器的输入量程，可以提高 LTC1092/LTC1093/LTC1094 的有效分辨率。但在低 VREF 值下操作时，需要考虑偏移、噪声和转换速度（CLK 频率）等因素。偏移在低参考电压下对输出代码的影响更大，可通过数字校正或偏移“–”输入来解决。噪声在低参考电压下会成为 LSB 的较大部分，可能导致输出代码抖动，需要更干净的无噪声设置。低参考电压下，LSB 步长减小，内部比较器过驱动减小，可能需要降低最大 CLK 频率。

六、典型应用

文档中给出了多个典型应用示例，包括 0°C 至 500°C 炉废气温度监测、0°C 至 100°C 高精度热敏电阻温度测量系统、–55°C 至 125°C 温度计以及微功耗、500V 光隔离多通道 10 位数据采集系统等。这些应用展示了 LTC1091/LTC1092/LTC1093/LTC1094 在不同场景下的实用性。

七、总结

LTC1091/LTC1092/LTC1093/LTC1094 系列数据采集系统具有丰富的可编程特性、高电源灵活性、便捷的通信接口、高精度和低功耗等优点。在设计过程中，需要充分考虑数字和模拟方面的各种因素，以确保系统的性能和稳定性。同时，通过参考典型应用示例，可以更好地将这些器件应用到实际项目中。大家在实际使用过程中，有没有遇到过一些特殊的问题或者有独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享。