探索LTC2415/LTC2415 - 1：24位无延迟∆Σ ADC的卓越性能与应用

引言

在电子工程师的日常设计中，高精度模拟 - 数字转换器（ADC）是至关重要的元件，它直接影响着系统的数据采集和处理精度。今天，我们要深入了解 Linear Technology 公司的 LTC2415/LTC2415 - 1 这两款 24 位无延迟∆Σ ADC，它们在性能上有着诸多突出特点，适用于各种对精度要求极高的应用场景。

文件下载：LTC2415.pdf

产品概述

LTC2415/LTC2415 - 1 是微功耗 24 位差分∆Σ ADC，集成了振荡器，具有 2ppm 的积分非线性（INL）、0.23ppm 的均方根（RMS）噪声，并且工作电源范围为 2.7V 至 5.5V。它们采用了先进的 delta - sigma 技术，为多路复用应用提供单周期稳定时间。这两款 ADC 的一大亮点是具有两倍于 LTC2410/LTC2413 的速度，LTC2415 输出速率可达 15Hz，具有 50Hz 或 60Hz 陷波功能；LTC2415 - 1 输出速率为 13.75Hz，可同时实现 50Hz/60Hz 陷波。

关键特性剖析

性能指标出色

• 高精度：具备 2ppm 的 INL，无漏码，2.5ppm 的增益误差和 0.23ppm 的噪声，能为我们提供极其精确的转换结果，满足各种高精度测量的需求。在需要对微弱信号进行精确测量的场景中，如传感器数据采集，这些高精度特性就显得尤为重要。
• 低功耗：单电源 2.7V 至 5.5V 供电，低电源电流仅 200µA，并且支持自动关机功能，这对于那些对功耗敏感的应用，如电池供电设备，能够有效延长设备的续航时间。

灵活的输入与参考设计

• 差分输入与参考：采用差分输入和差分参考，具有从 GND 到 (V_{CC}) 的共模范围，能够有效抑制共模干扰，提高信号的抗干扰能力。在复杂的电磁环境中，差分信号的优势能够得到充分体现。
• 宽参考电压范围：可接受任何从 0.1V 到 (V_{CC}) 的外部差分参考电压，为灵活的比率测量和远程传感测量配置提供了可能。不同的参考电压选择可以适应不同的测量需求，增加了设计的灵活性。

方便易用的接口

• 3 线数字接口：通过灵活的 3 线数字接口进行通信，兼容 SPI 和 MICROWIRE 协议，方便与各种微处理器和微控制器进行连接，简化了系统设计。在实际应用中，我们可以很轻松地将其与常用的微控制器集成在一起。

工作原理与模式

操作周期

LTC2415/LTC2415 - 1 的操作由转换、睡眠和数据输出三个状态组成。转换完成后自动进入睡眠状态，当 CS 引脚被拉低时，开始输出转换结果，数据输出无延迟，与当前转换结果一一对应。通过合理控制 CS 和 SCK 引脚的时序，可以实现多种灵活的操作模式，如内部或外部 SCK 模式以及自由运行转换模式，而无需编程配置寄存器，这大大提高了使用的便捷性。

时钟模式

• 内部振荡器：集成的高精度内部振荡器无需外部频率设置组件，如晶体或振荡器。LTC2415 在 50Hz 或 60Hz ±2% 的线频率下可实现至少 110dB 的抑制，LTC2415 - 1 则可在 50Hz ±2% 和 60Hz ±2% 同时实现至少 87dB 的抑制，有效减少了外界干扰对测量结果的影响。
• 外部时钟：当需要不同的基本抑制频率或与外部源同步时，可使用外部转换时钟。通过将外部时钟信号连接到 (F{0}) 引脚，转换器会自动检测并关闭内部振荡器，在 (f{EOSC}/2560 ±4%) 的频率范围内提供优于 110dB 的正常模式抑制。

应用信息解析

输入与输出范围

• 输入范围：模拟输入为真正的差分输入，输入引脚的绝对/共模范围从 GND - 0.3V 到 (V{CC}+0.3V)，在有效范围内可将 -0.5 (V{REF}) 到 0.5 (V_{REF}) 的双极差分输入信号进行转换，超出范围会有相应的过范围或欠范围输出代码指示。在实际应用中，我们要注意输入信号的范围，避免超出规定范围导致测量误差。
• 输出格式：串行输出数据流为 32 位，前 3 位为状态信息，接下来 24 位为转换结果（MSB 优先），剩余 5 位为 24 位以下的子 LSB，可用于平均处理或直接丢弃而不损失分辨率。通过对输出格式的了解，我们可以正确解读转换结果，提取有用信息。

  频率抑制选择

• LTC2415：通过将 (F{0}) 引脚连接到 (V{CC}) 或 GND 可分别选择 50Hz 或 60Hz 的抑制，也可使用外部时钟实现不同频率的抑制。在选择频率抑制时，我们要根据实际应用场景中的干扰频率进行合理配置。
• LTC2415 - 1：将 (F_{0}) 引脚连接到 GND 可实现 50Hz/60Hz 的同时抑制，通过对两个连续转换结果进行平均，可实现更好的抑制效果，同时提高吞吐量。这种平均处理的方法在实际应用中可以有效提高抗干扰能力。

  串行接口时序模式

  提供多种灵活的串行接口时序模式，包括外部/内部串行时钟、2 线或 3 线 I/O、单周期转换和自动启动模式。不同的模式适用于不同的应用场景，如外部串行时钟单周期操作模式适用于需要精确控制转换周期的场景，而内部串行时钟 2 线 I/O 连续转换模式则可简化用户界面或隔离屏障。在设计过程中，我们要根据系统的需求选择合适的时序模式。

精度保持与应用电路示例

精度保持

为了保证 LTC2415/LTC2415 - 1 的高精度性能，我们需要注意一些设计细节。例如，数字信号应驱动到全 CMOS 电平，以减少额外电流的消耗；避免快速数字信号的过冲和下冲对模拟 - 数字转换过程的干扰，可通过合理选择电阻、终止传输线或降低控制信号的边缘速率来解决。在输入和参考引脚的驱动方面，要考虑源阻抗和采样电容的影响，确保信号能够准确采样。对于输入和参考电流，要根据不同的电容值选择合适的源阻抗，以减少增益和偏移误差。

应用电路示例

文档中给出了多个应用电路示例，如使用差分多路复用器扩展通道能力、68HC11 微控制器与 LTC2415/LTC2415 - 1 的 SPI 接口连接示例以及相关的汇编代码，还有实现相关双采样的电路示例等。这些示例为我们在实际应用中提供了很好的参考，我们可以根据具体需求进行适当的修改和调整。

总结

LTC2415/LTC2415 - 1 以其高精度、低功耗、灵活的输入输出和接口设计等诸多优点，成为电子工程师在高精度数据采集和处理领域的理想选择。在实际设计过程中，我们要充分理解其工作原理、特性和应用信息，注意精度保持的相关细节，参考应用电路示例，以实现最佳的系统性能。你在使用类似 ADC 时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和想法。