24位A/D转换器LTC2400及其应用

　　摘要：LTC2400是凌特公司(Linear)生产的一种微功能、高精度24位A/D转换器，该芯片内部集成有振荡器，工作电压为2.7～5.5V，积分线性误差(INL)为4ppm，RMS噪声为0.3ppm，供电电流仅为200μA(待机时为20μA)，采用Δ-∑技术独特的体系结构，建立时间为单周期。文中介绍了LTC2400的主要功能和串行接口方法，给出了LTC2400与单片机的接口电路。

　　关键词：LTC2400 A/D转换器 数据采集 单片机

　　1　LTC2400的引脚功能和内部结构

　　LTC2400采用与SPI接口兼容的3线数字接口，可应用于高分辨率和低频应用场合，如称重、温度测量、气体分析、应变仪，数据采集，工业控制等方面。它采用8脚SO-8封装，其引脚排列如图1所示。其引脚功能如下：

　　1脚VCC：电源;

　　2脚VREF：参考电压输入端;

 

　　3脚VIN：模拟信号输入脚;

　　4脚GND：接地脚;

　　5脚CS：片选端，低电平有效;

　　6脚SDO：数据输出端，同时也是转换数据有效的指示端;

　　7脚SCK：时钟脚，双向;

　　8脚FO：数字输入脚，用于选择需要抑制的频率和AD转换时间。

　　LTC2400的供电电压VCC的范围为2.7～5.5V;所需外接基准电压源的电压范围为0.1V～VCC;模拟信号输入VIN的输入电压范围为-0.125VREF～1.125VREF。

　　LTC2400内部已集成了高精度的振荡器，因此采用片内振荡器时不需要外接任何元件。LTC2400的数字滤波器能够抑制50Hz或60Hz及其谐波。当芯片的F0脚接VCC时，使用内部振荡器可对输入信号中的50Hz干扰进行大于110dB的抑制，其AD转换时间为160ms;F0脚接GND时，使用内部振荡器可对输入信号中的60Hz干扰进行大于110dB的抑制，AD转换时间为133ms;当F0脚接外部振荡器fEOSC时，其抑制的频率为fEOSC/2560，AD转换时间为2048/fEOSC。图2所示为LTC2400的内部结构。

　　

 

　　2　LTC2400的工作过程及串行输出

　　2.1 LTC2400的工作过程

　　LTC2400是一种低功耗、采用Δ-Σ技术且具有3线串行接口的AD转换器，而且在AD转换完成后将直接进入睡眠状态。LTC2400的三线接口线分别是数据输出(SDO)、时钟(SCK)和片选(CS)。其工作流程如图3所示。

　　LTC2400完成转换就进入睡眠状态。睡眠状态的供电电流仅为20μA。若CS一直为高电平，芯片将保持睡眠状态。进入睡眠状态时，数据最后的转换结果将保存在芯片内部的静态移位寄存器中。

　　当CS变为低电平时，LTC2400开始输出转换结果，此时数据转换没有等待时间，输出数据即为刚进行的转换结果。该转换结果是在串行时钟SCK的控制下由SDO输出的，并在SCK的下降沿更新，而在SCK的上升沿可靠读取。

当32位数据从LTC2400读出或当CS被拉高时，数据输出结束。此后LTC2400将自动开始新的数据转换和重复周期。

 

　　2.2 LTC2400的串行输出接口

　　通过对CS和SCK的控制，LTC2400可以提供几种灵活的接口模式(内部或外部的SCK模式)。不同转换模式的选择无需对LTC2400的寄存器进行设置，并且不影响数据转换周期。使用时钟信号SCK(PIN7)控制转换数据的输出时，转换结果将在时钟CLK的下降沿由SDO脚输出。在内部时钟模式，SCK信号由LTC2400产生输出在外部SCK模式，SCK为LTC2400外部输入的时钟信号。下面详细介绍外部串行时钟的三线接口方法。

　　当LTC2400上电时，如果SCK为低电平，转换进入外部串行模式;在CS信号的下降沿，SCK信号必须为低电平。

　　当CS为高电平时，SDO为高阻态，此时，SDO连接的接口线可以作为其它应用。如果LTC2400在转换和睡眠时CS为低电平，那么，SDO的输出状态将用于指示EOC。在AD转换阶段，SDO的输出状态EOC将变为高电平，而一旦转换完成，EOC又变为低电平。在LTC2400处于睡眠状态时，如果CS为低电平，系统会在SCK的上升沿将其唤醒。图4所示是LTC2400的外部串行时钟接口时序图。

　　CS信号除用来检测LTC2400的状态和输出AD转换数据外，还可用来控制全部串行数据输出之前进行的新一次AD转换。在LTC2400处于数据输出状态时，CS由低变高以停止串行输出，同时开始新的AD转换。

　　由于在CS为高电平时，数据输出端SDO为高阻态，因此，在LTC2400的转换过程中，可通过将CS变为低电平来检测转换状态。当CS为低电平时，SDO脚输出的EOC信号为1，表示转换正在进行;EOC为0表示转换完成，系统处于睡眠状态。当LTC2400处于睡眠状态时，其转换结果将保存在内部移位寄存器中。CS为低可在SCK的上升沿唤醒LTC2400，此时转换数据将在SCK的下降沿串行输出。EOC通常在SCK的第一个上升沿被锁存，直到第32个上升沿锁存结束，同时，系统将在第32个下降沿开始的新一轮转换。

　　

 

　　图4 外部串行时钟接口时序图

　　一般情况下，在数据输出过程中，如果CS为低电平，那么，系统将在SCK的第一个上升沿和第32个下降沿中间将CS变高以停止数据输出。

　　3　和AT89C2051单片机的接口应用

　　利用LTC2400实现高精度信号采集功能的系统原理图如图5所示。在该数据采集系统中，LT2400芯片的外围电路十分简单。AT89C2051单片机作为控制器，其中P1.4、P1.5和P1.6与LTC2400的SCK、SDO和CS相连，数据转换结果也通过该串行口输出;该系统采用电压为5V的基准源;信号由LTC2400的VIN输入，输入的电压范围为-0.625～5.625V;转换速率为6.25PPS;数据通过AT89C2051的RXD和TXD并经MAX202进行电平转换后由串行口输出给上位机。

　　

 

　　图5 LTC2400数据采集原理图 点击放大

　　通过实际应用证明，LTC2400芯片具有很高的性能，可以较好地实现预期的设计功能，目前笔者已将其应用在地震前兆形变观测仪器中，且效果良好。