△-∑A／D轉(zhuǎn)換器MCP3421的工作原理和應(yīng)用分析

Microchip公司的MCP3421與其他A／D轉(zhuǎn)換器相比，特點(diǎn)主要表現(xiàn)在：全差分輸入；18位分辨率；精密的連續(xù)自校準(zhǔn)功能；可選擇3.75、15、60或240 sps采樣速率進(jìn)行轉(zhuǎn)換；可工作在連續(xù)轉(zhuǎn)換或單次轉(zhuǎn)換模式，在單次轉(zhuǎn)換后的空閑期內(nèi)自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)模式，極大地減小了電流消耗；內(nèi)部集成2.048 V±0.05％精度，且溫度漂移僅為5ppm／℃的基準(zhǔn)電壓源；可編程增益放大器（PGA）提供1／2／4／8倍增益，允許測(cè)量極小的信號(hào)并且具有很高的分辨率；內(nèi)部集成振蕩器電路并提供I2C串行接口等。

1 MCP3421封裝形式與結(jié)構(gòu)

MCP3421是Microchip公司△-∑A／D轉(zhuǎn)換器系列的一款18位分辨率器件，采用SOT23-6封裝。圖1為MCP342引腳分布圖，各引腳的功能如表1所列。MCP342內(nèi)部采用了Microchip專利的差分開關(guān)電容△-∑轉(zhuǎn)換及數(shù)字濾波技術(shù)，專為需要高分辨率和低功耗的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。在這種應(yīng)用中，空間和低功耗是設(shè)計(jì)的首要考慮因素。MCP3421可在2.7～5.5V單電源下電壓工作，并消耗很低的電流。在VDD=3 V、單次轉(zhuǎn)換、1 sps條件下，電流消耗僅為39μA（典型值）。其內(nèi)部功能框圖略--編者注。

2 MCP3421的工作原理

MCP3421為一個(gè)全差分、18位分辨率且具有自校正功能的△-∑A／D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部內(nèi)部包括△-EA／D轉(zhuǎn)換器、可編程增益放大器（PGA）、時(shí)鐘振蕩器和I2C串行接口，以及2.048 V電壓基準(zhǔn)源5部分。MCP3421設(shè)計(jì)簡單、極易配置，允許設(shè)計(jì)工程師通過最小配置獲得精確的測(cè)量結(jié)果。

2.1 △-∑A／D轉(zhuǎn)換器

MCP3421△-∑A／D轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)差分開關(guān)電容△-∑調(diào)制器和一個(gè)數(shù)字濾波器。調(diào)制器測(cè)量差分模擬輸入電壓（經(jīng)內(nèi)部PGA放大），并將其與內(nèi)部電壓基準(zhǔn)相比較。MCP3421內(nèi)部集成了2.048 V電壓基準(zhǔn)。數(shù)字濾波器從調(diào)制器接收到高速數(shù)據(jù)流，經(jīng)數(shù)字濾波器處理后輸出一個(gè)數(shù)字代碼。MCP3421輸出的數(shù)字代碼是PGA增益、輸入信號(hào)和內(nèi)部電壓基準(zhǔn)的函數(shù)。在固定配置下，輸出數(shù)字代碼與兩個(gè)模擬輸入引腳問的電壓差成正比。輸出代碼限定在一定的數(shù)目范圍內(nèi)，該范圍取決于代表輸出碼所需的位數(shù)，同時(shí)也與采用的轉(zhuǎn)換速率有關(guān)，如表2所列。

MCP3421輸出代碼采用二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式，最大的n位代碼為2n-1，而最小的n位代碼為-2n-1。MCP3421輸出的所有代碼均右對(duì)齊，并且經(jīng)過符號(hào)擴(kuò)展。不同轉(zhuǎn)換模式下輸出代碼的格式如表3所列。

2.2 時(shí)鐘振蕩器

MCP3421內(nèi)部包括時(shí)鐘振蕩器，該時(shí)鐘電路驅(qū)動(dòng)△-∑調(diào)制器和數(shù)字濾波器工作。用戶可通過設(shè)置配置寄存器來選擇MCP3421的采樣速率為3.75、15、60或240sps。MCP3421不能采用外部調(diào)制器輸入時(shí)鐘。

2.3 自校準(zhǔn)

MCP3421集成了自校準(zhǔn)電路。自校準(zhǔn)系統(tǒng)連續(xù)工作并不需要用戶干涉。MCP3421在每次轉(zhuǎn)換時(shí)進(jìn)行失調(diào)電壓和增益的自校準(zhǔn)。這樣在溫度和電源電壓變化時(shí)仍可提供可靠的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

2.4 I2C串行接口

MCP3421通過I2C串行接口與主機(jī)進(jìn)行通信。MCP3421只能作為從器件，并提供8個(gè)可選I2C地址。MCP3421的I2C接口支持標(biāo)準(zhǔn)（100 kbps）、快速（400kbps）和高速（3.4 Mbps）三種模式，且與I2C總線協(xié)議完全兼容。

用戶可通過I2C接口讀／寫MCP3421內(nèi)的配置寄存器，進(jìn)而改變器件的工作模式并查詢器件的工作狀態(tài)。同時(shí)，I2C接口也用于讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)代碼。設(shè)置配置寄存器的時(shí)序圖和18位模式下從MCP3421讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的時(shí)序圖略--編者注。

3 MCP3421的應(yīng)用

MCP3421可廣泛應(yīng)用于各種需要低功耗和高精度A／D轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)中，例如基于熱電偶或熱電阻的溫度測(cè)量，壓力或流量的測(cè)量等。MCP3421在這些應(yīng)用電路中連接非常簡單。下面簡單介紹MCP3421的應(yīng)用和連接。

3.1 與單片機(jī)的連接

MCP3421與具有I2C接口的單片機(jī)的連接方式非常簡單。圖2所示的單片機(jī)測(cè)量系統(tǒng)中，MCP3421與其他器件（EEPROM、溫度傳感器）等共享I2C總線，并可以標(biāo)準(zhǔn)、快速或高速三種模式與單片機(jī)進(jìn)行通信。由于I2C總線是一種漏極開路驅(qū)動(dòng)，所以SCL和SDA線都需要上拉電阻。上拉電阻的大小取決于總線的工作速率和總線電容。

3.2 輸入端連接

MCP3421提供全差分輸入。外部輸入信號(hào)可連接到VIN+和VIN-輸入引腳。差分輸入電壓VIN（VIN+-VIN-）被PGA放大后經(jīng)△-∑調(diào)制器轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼。MCP3421的輸入引腳不能連接負(fù)輸入電壓。MCP3421差分輸入和單端輸入的連接如圖3所示。在單端輸入時(shí)，VIN-引腳連接到地，此時(shí)輸入信號(hào)范圍為0～2.048 V。

3.3 MCP3421與熱電偶連接

MCP3421可以與各種不同的傳感器進(jìn)行接口。圖4為熱電偶溫度變送器的系統(tǒng)框圖。由于MCP3421內(nèi)部具有最高達(dá)8倍的PGA增益和2.048 V的電壓基準(zhǔn)，因而可以直接與K型等熱電偶連接。溫度補(bǔ)償通過采用外部的數(shù)字溫度傳感器（圖中為MCP9800）來實(shí)現(xiàn)。MCP321轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)和溫度傳感器檢測(cè)到的溫度值經(jīng)單片機(jī)計(jì)算和線性化處理后，以電壓或4～20 mA電流環(huán)的方式傳送到其他控制系統(tǒng)。

在PGA增益=8且選擇18位分辨率時(shí)，LSB=2×2.048 v／218=15.626μV，完全可滿足毫伏（mV）級(jí)電壓輸出的熱電偶溫度測(cè)量要求?？梢?，利用高分辨率和低功耗的MCP3421 A／D轉(zhuǎn)換器和Microchip的單片機(jī)、溫度傳感器、D／A轉(zhuǎn)換器很容易實(shí)現(xiàn)完整溫度變送器電路設(shè)計(jì)。

結(jié) 語

△-∑A／D轉(zhuǎn)換器適合于高分辨力、低功耗的測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用。MCP3421作為一款18位分辨率、高集成度、小型封裝的△-∑A／D轉(zhuǎn)換器，可應(yīng)用于溫度、壓力、流量等工業(yè)控制，以及測(cè)試／測(cè)量的應(yīng)用中。簡單、靈活的電路設(shè)計(jì)可以大大提高測(cè)量的精度和穩(wěn)定性，并降低硬件成本，提高產(chǎn)品的性價(jià)比。

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