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采用独特的ADC前端实现多通道传感器应用

来源:今日电子/作者:凌力尔特公司 Steve Logan和Mike Mayes?? 2007年01月25日 ?? 收藏0

  随着模拟设计复杂度的增加,设计师已经在使用多个传感器来测量诸如温度、光强、加速度和湿度等环境参数。对电动汽车的高电压电池槽进行电压、压力和温度监视便是此类实例之一。设计师有可能需要对电池槽中每个电池上的电压进行准确的测量。他们可能会采用应变仪来监视压力,以确保在充电期间电池体积不会膨胀。他们也有可能记录温度梯度,以保证电池槽不致发生过热现象。

  对这些信号进行监视需要准确、多通道模数转换器(ADC)。由于这些信号的变化速度相对较慢,因此使用精准的ΔΣADC常常能够产生最佳的效果。LTC2498是24位ΔΣADC,可对16个单端通道、8个差分通道或两者的组合进行测量。图1中的电路示出了一种典型应用,即:一个桥式传感器的差分测量和一个单端热电偶信号的测量。

LTC2498用于差分测量和单端信号的测量

  图1? LTC2498用于差分测量和单端信号的测量

  ΔΣADC非常适合于测量电池充电等应用中的微细变化,但由于实际应用当中的许多传感器都具有很大的阻抗,因此经常会极大限制ADC的使用,或者需要增设前端信号调理电路。即使是很小的输入采样电流也会在高阻抗传感器上引起误差。LTC2498通过采用Easy D

rive技术(一种独特的模拟前端架构)来平衡输入电流,从而能够解决这个问题。

  Easy Drive架构简化了ΔΣADC的驱动要求。该解决方案基于一种纯无源差分输入电流抵消算法,这种算法实现了轨至轨输入,而没有因为使用片内缓冲放大器所导致的功率要求增加以及所导致的误差。Easy Drive技术使得LTC2498能够与高阻抗传感器、低通滤波器和输入旁路电容器直接相连,而不会使直流性能产生实质性的劣化。图2详细描绘了LTC2480单通道Easy Drive ADC的一个实例。

Easy Drive技术实现了大型外部RC网络的直接数字化

  图2? Easy Drive技术实现了大型外部RC网络的直接数字化

  对于高阻抗传感器而言,常见问题是ΔΣADC的开关电容器网络。电容器作为输出代码的一个函数而在输入、基准和地之间进行快速切换(开关频率高达10MHz)。每当这些电容器切换到ADC输入时,都会产生一个电流脉冲,并将在ADC的输入引脚上呈现一个充电/放电脉冲图形。该图形是输入和基准电压的一个复值函数。在每个采样周期中未完全达到稳定状态的外部RC网络将引起很大的全标度误差。

  解决这一问题的诀窍在于利用ΔΣADC的过采样特性。每个样本进行一次前端电容器开关操作与传统的ΔΣADC采样是完全相同的。Easy Drive的创新型前端采样架构可控制电容器阵列的开关模式。当在整个转换周期中进行求和运算时,总差分输入电流为零,这与差分输入电压、共模输入电压、基准电压或输出代码无关。共模输入电流是恒定的,并和输入共模电压与基准共模电压之差成比例。

  利用采用Easy Drive技术的ΔΣADC,就可以在无须内部或外部放大器的情况下对具有高阻抗的外部传感器直接进行数字化处理。电桥、RTD、热电偶、声、压电及其他传感器可与ADC输入直接相连。增设外部电容器可减小ADC的输入端所承受的充电回扫尖峰,一个外部1μF电容器可把1V尖峰减小至18μV。

  除了实现了ADC与高阻抗传感器的直接相连之外,Easy Drive架构还使得设计师能够在前端上增设一个RC网络,以进行低通滤波和抗混叠滤波。加至LTC2498输入端的外部RC网络可对ADC所产生的输入电流尖峰进行简单积分(平均处理)。由于平均差分输入电流为零,因此,如果与ADC的正(+)/负(-)输入端相连的电阻是平衡的,则由外部RC网络的所引起的总误差为零。可以在ADC之前布设100kΩ的电阻和10μF的电容器,从而实现小于0.002%的全标度误差,测试结果如图3所示。而采用相同输入网络的传统ΔΣADC的全标度误差(100 000×10-6)则大于10%。即使外部电阻不平衡,LTC2498也不会引发误差(只要共模输入电压与共模基准电压相等即可)。

Easy Drive技术大幅减小了由于外部RC网络的不安全稳定所造成的全标度误差

  图3? Easy Drive技术大幅减小了由于外部RC网络的不安全稳定所造成的全标度误差

  Easy Drive架构使得能够在不采用内部缓冲器的情况下对各类传感器进行测量。目前,采用Easy Drive技术的16位和24位多通道和单通道ADC已经有现货供应。全部的Easy Drive ADC都包括无延迟转换、片内振荡器和可靠的线频抑制、精准的DC规格以及凌力尔特公司所有ΔΣADC转换器均具备的易用性。LTC2498内置的温度传感器使得冷结点补偿简单而且准确。再加上16个输入通道,使LTC2498非常适合于面向测试、测量和数据采集设计的多传感器测量。


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ADC? 多通道? 传感器?

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