24位ADC集成PGA的基本原理及適用于傳感器密集型應(yīng)用

Maxim的MAX11254是一款24位ADC，集成了6個(gè)差分通道、128x PGA、校準(zhǔn)功能和三種時(shí)序模式，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的自動(dòng)化，從而滿(mǎn)足最具挑戰(zhàn)性的傳感器設(shè)計(jì)。本應(yīng)用筆記介紹了三個(gè)應(yīng)用實(shí)例，以幫助用戶(hù)最大限度地發(fā)揮MAX11254的功能。對(duì)于我2C系統(tǒng)中，用MAX11259代替MAX11254。

介紹

隨著物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，傳感器技術(shù)最近在過(guò)去幾年中爆炸式增長(zhǎng)。 （物聯(lián)網(wǎng)）。彭博社預(yù)測(cè)，與處理器集成的傳感器市場(chǎng)將達(dá)到2.8萬(wàn)億臺(tái)設(shè)備 2019. 傳感器是下一件大事，它們的集成需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 來(lái)轉(zhuǎn)換 傳感器輸出為數(shù)字 處理格式。傳感器技術(shù)的改進(jìn)要求ADC具有更高的功能， 集成了高分辨率、校準(zhǔn)功能、嵌入式可編程增益放大器 （PGA） 和多個(gè)輸入通道，可實(shí)現(xiàn)傳感器接口的單芯片解決方案。

MAX11254/MAX11259為高度集成的ADC，包含6路差分模擬輸入、6通道多路復(fù)用器、 一個(gè)PGA、一個(gè)Δ-Σ調(diào)制器和一個(gè)數(shù)字濾波器。為了適應(yīng)需要多個(gè)輸入的應(yīng)用，提供了三種通道排序模式：

模式 1 禁用時(shí)序控制器，僅允許單通道轉(zhuǎn)換，允許以最快的采樣速率連續(xù)采樣。

模式 2 允許以用戶(hù)定義的自動(dòng)序列在每個(gè)通道上進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

模式 3 同時(shí)自動(dòng)執(zhí)行用于轉(zhuǎn)換的通道多路復(fù)用器和 GPO/GPIO 狀態(tài)。

本應(yīng)用筆記討論了三種時(shí)序模式，以幫助設(shè)計(jì)人員最大限度地發(fā)揮MAX11254/MAX11259 ADC的全部功能。對(duì)于需要SPI通信的系統(tǒng)，使用MAX11254。對(duì)于使用 I 的系統(tǒng)2C 通信時(shí)，使用MAX11259。本應(yīng)用筆記僅舉例說(shuō)明MAX11254的使用，但MAX11259可以在所有應(yīng)用中替代。圖1所示為MAX11254的功能框圖。

圖1.MAX11254功能框圖

應(yīng)用示例1：連續(xù)小信號(hào)測(cè)量

對(duì)于需要連續(xù)采樣的情況，MAX11254可以配置為時(shí)序器模式1，該模式 僅支持一個(gè)通道的連續(xù)采樣。如果需要單通道ADC，MAX11214具有類(lèi)似的架構(gòu)，集成PGA和數(shù)字濾波器。

為了演示定序器模式1的連續(xù)采樣能力，本文討論了心電圖（ECG）應(yīng)用。心電圖是一個(gè)應(yīng)用示例，需要對(duì)放置在人體上的一對(duì)或幾對(duì)差分導(dǎo)聯(lián)線(xiàn)進(jìn)行連續(xù)采樣。從100μV至2-3mV最大峰值的身體范圍內(nèi)測(cè)量的ECG信號(hào)使其難以測(cè)量。MAX11254的PGA和連續(xù)采樣能力使其成為一個(gè)很好的解決方案。對(duì)于需要同時(shí)采樣多個(gè)通道的應(yīng)用，MAX11040K是另一種選擇。圖2顯示了使用單通道和 MAX11254。

圖2.使用MAX11254的基本ECG原理圖。

MAX11254要求正負(fù)基準(zhǔn)輸入端具有1.5V的最小差分電壓。 使用最小電壓范圍可產(chǎn)生ADC的最小可檢測(cè)電壓階躍。下式將ADC位分辨率與單極性應(yīng)用中的最小可測(cè)量信號(hào)相關(guān)聯(lián)。對(duì)于雙極性操作， 將所得步長(zhǎng)乘以系數(shù) 2。

其中n等于ADC的位分辨率，增益等于內(nèi)部PGA的增益，V等于裁判是施加的基準(zhǔn)電壓。最大可測(cè)輸入電壓等于基準(zhǔn)電壓除以PGA增益。 使用1.5V的最小VREF和128x的最大增益值相當(dāng)于698.5pV的最小步長(zhǎng)和11.7mV的滿(mǎn)量程測(cè)量。表1顯示了MAX11254在不同配置下可獲得的最大和最小分辨率。基于這些設(shè)置，MAX11254可以輕松測(cè)量 心電圖信號(hào)。

表 1.ADC相對(duì)于基準(zhǔn)電壓、電壓范圍和PGA增益的階躍分辨率

第二個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是采樣率。根據(jù)奈奎斯特定理，信號(hào)的采樣率必須為 至少是信號(hào)最高頻率成分的兩倍，以防止混疊。ECG信號(hào)的頻率成分范圍在0到20Hz之間。MAX11254的采樣速率高達(dá)64ksps，遠(yuǎn)高于要求的40Hz采樣速率。為了確認(rèn)MAX11254可以分辨ECG信號(hào)，使用ECG測(cè)量 MAX11254評(píng)估板圖3所示為MAX11254EVKIT在1x PGA設(shè)置下記錄的ECG讀數(shù)的典型QRS曲線(xiàn)。連接到右手腕的電極連接到負(fù)輸入，連接到左手腕的電極連接到正輸入。圖4顯示了記錄的ECG信號(hào)，使用以下命令 128 倍增益。較高的增益設(shè)置使QRS復(fù)合體更容易區(qū)分。對(duì)于集成ECG模擬前端，MAX30003為單芯片方案，也可檢測(cè)心率。

圖3.使用1倍增益的ECG波形。

圖4.使用128倍增益的ECG波形。

設(shè)計(jì)人員可能會(huì)問(wèn)：“當(dāng)MAX11254可以選擇旁路時(shí)，使用1倍PGA增益的目的是什么？ 美聯(lián)社？即使不需要增益，利用PGA也會(huì)在信號(hào)源和 模數(shù)轉(zhuǎn)換器。大多數(shù)ADC要求信號(hào)源具有低輸出阻抗。Δ-Σ型ADC通常使用開(kāi)關(guān) 調(diào)制器之前的電容輸入級(jí)。信號(hào)發(fā)生器的高輸出阻抗可能會(huì)中斷 輸入電容器的充電和放電速率，導(dǎo)致測(cè)量錯(cuò)誤。

在序列器模式 1 中選擇正確的轉(zhuǎn)換方案

序列器模式 1 包含兩種不同的連續(xù)采樣方案以及執(zhí)行 單次轉(zhuǎn)換。這三種模式分為以下主題領(lǐng)域：?jiǎn)沃芷?、單周期連續(xù)和連續(xù)轉(zhuǎn)換。

單周期轉(zhuǎn)換在轉(zhuǎn)換到睡眠模式之前在指定通道上執(zhí)行一次轉(zhuǎn)換。 單周期連續(xù)和連續(xù)轉(zhuǎn)換模式相似，但可用采樣率不同。 單周期和單周期連續(xù)都允許采樣率在50sps和12.8ksps之間;連續(xù)的 轉(zhuǎn)換允許 1.9SPS 和 64ksps 之間的采樣率。連續(xù)轉(zhuǎn)換模式可任意選擇 演示心電圖應(yīng)用;單周期連續(xù)轉(zhuǎn)換也同樣有效。使用連續(xù)轉(zhuǎn)換模式有一個(gè)缺點(diǎn)：延遲。延遲是發(fā)出命令以將設(shè)備置于連續(xù)轉(zhuǎn)換后第一次轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)延遲。延遲是從發(fā)出命令后的芯片選擇位的上升沿到數(shù)據(jù)就緒位的下降沿測(cè)量的，表示有新的轉(zhuǎn)換可用。延遲持續(xù)時(shí)間取決于采樣率，如表2所示。表 2 包含兩個(gè)延遲因子列。第一個(gè)延遲因子列將啟動(dòng)延遲與標(biāo)稱(chēng)采樣率進(jìn)行比較;第二個(gè)延遲因子列將啟動(dòng)延遲與后續(xù)轉(zhuǎn)換的測(cè)量采樣率相關(guān)聯(lián)。

表 2.連續(xù)模式采樣率的延遲系數(shù)

自校準(zhǔn)程序

校準(zhǔn)是任何測(cè)量系統(tǒng)中的重要步驟，可分為兩種校準(zhǔn)類(lèi)型： 自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)。自校準(zhǔn)特定于ADC的調(diào)制器，可確保施加到調(diào)制器輸入的電壓相對(duì)于所選基準(zhǔn)電壓正確縮放。自校準(zhǔn)排除了調(diào)制器外部的所有內(nèi)容，包括集成電路內(nèi)部的其他功能塊 （IC）等PGA。系統(tǒng)校準(zhǔn)包括調(diào)制器周?chē)耐獠磕K，并確保施加到IC引腳的電壓相對(duì)于基準(zhǔn)電壓正確縮放。必須在系統(tǒng)校準(zhǔn)之前進(jìn)行自校準(zhǔn)。

在進(jìn)行測(cè)量之前運(yùn)行自校準(zhǔn)程序可確保準(zhǔn)確的測(cè)量。應(yīng)在每個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn);如果沒(méi)有自校準(zhǔn)，測(cè)量可能會(huì)包含誤差 超過(guò) 400 mV。自校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立的校準(zhǔn)：失調(diào)和增益校準(zhǔn)。這是 通過(guò)零刻度和滿(mǎn)量程讀數(shù)完成。零電平測(cè)量使調(diào)制器輸入短路 一起在內(nèi)部啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。處理結(jié)果會(huì)產(chǎn)生自校準(zhǔn)偏移 系數(shù) （SCOC），保存到 SCOC 寄存器中。校準(zhǔn)的第二階段連接 在內(nèi)部將基準(zhǔn)電壓輸入到調(diào)制器輸入端，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，將測(cè)量處理到 生成自校準(zhǔn)增益系數(shù)，并將該值保存到自校準(zhǔn)增益系數(shù)中 （SCGC）注冊(cè)。

應(yīng)用校準(zhǔn)系數(shù)

自校準(zhǔn)完成后，必須先啟用校準(zhǔn)系數(shù)，然后才能自動(dòng)啟用 應(yīng)用于測(cè)量結(jié)果。每個(gè)校準(zhǔn)系數(shù)有兩個(gè)內(nèi)部寄存器：一個(gè)內(nèi)部 寄存器，用于存儲(chǔ)硬件校準(zhǔn)產(chǎn)生的校準(zhǔn)系數(shù)，以及SPI可寫(xiě)寄存器 用戶(hù)可以修改。兩個(gè)不同的寄存器允許在用戶(hù)編程和 硬件生成的校準(zhǔn)系數(shù)。如果用戶(hù)希望為每個(gè)單獨(dú)的校準(zhǔn)系數(shù) 通道，用戶(hù)可以對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行校準(zhǔn)，然后將這些值保存到微控制器。 在給定通道上執(zhí)行轉(zhuǎn)換時(shí)，用戶(hù)可以編輯具有所需 開(kāi)始轉(zhuǎn)換前的校準(zhǔn)系數(shù)。這種類(lèi)型的校準(zhǔn)方案僅在以下情況下可用 音序器模式 1.

寄存器 CTRL3 中的最低有效字節(jié)控制校準(zhǔn)系數(shù)的實(shí)現(xiàn)。無(wú)論是 用戶(hù)編程和硬件生成的校準(zhǔn)寄存器使用相同的地址。CTRL3 控件中的位 CALREGSEL 在轉(zhuǎn)換中實(shí)現(xiàn)的校準(zhǔn)寄存器。用戶(hù)編程和硬件生成的校準(zhǔn) 系數(shù)可以通過(guò)發(fā)出系統(tǒng)偏移系數(shù)（SOC）的讀取命令隨時(shí)讀取，系統(tǒng) 增益系數(shù) （SGC）、SCOC 和 SCGC 寄存器，同時(shí)適當(dāng)選擇 CALREGSEL 的值。 值為 1 的 CALREGSEL 返回用戶(hù)編程的值，而值為 0 的返回硬件生成的值 值。

應(yīng)用校準(zhǔn)系數(shù)會(huì)消耗時(shí)間，從而降低采樣率;執(zhí)行的校準(zhǔn)越多， 采樣率越慢。表3記錄了單周期和單周期的測(cè)量轉(zhuǎn)換時(shí)間 序列器模式 1 中的連續(xù)模式相對(duì)于三種校準(zhǔn)方案。表4記錄了測(cè)量值 序列器模式 1 中連續(xù)模式相對(duì)于三種校準(zhǔn)方案的轉(zhuǎn)換時(shí)間。連續(xù) 在轉(zhuǎn)換模式下，ADC始終實(shí)現(xiàn)高于標(biāo)稱(chēng)采樣率的采樣率 校準(zhǔn)方案。應(yīng)該注意的是，在所有轉(zhuǎn)換期間，轉(zhuǎn)換時(shí)間存在一些變化。 表中的值應(yīng)被視為標(biāo)稱(chēng)值，用戶(hù)應(yīng)預(yù)期一些變化。

表 3.不同校準(zhǔn)的單周期和單周期連續(xù)采樣的測(cè)量轉(zhuǎn)換時(shí)間 實(shí)現(xiàn)

表 4.針對(duì)不同校準(zhǔn)實(shí)施的連續(xù)采樣的測(cè)量轉(zhuǎn)換時(shí)間

應(yīng)用示例2：多通道測(cè)量

壓力傳感器和應(yīng)變片通常用于電子秤，根據(jù) 在秤的感應(yīng)范圍內(nèi)。例如，測(cè)量體重的消費(fèi)秤不會(huì)提供相同的 分辨率作為測(cè)量用于反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)質(zhì)量的科學(xué)尺度?；ぴ?拋光（CMP）是另一種需要非常精確地測(cè)量施加到晶圓的壓力的應(yīng)用 在拋光過(guò)程中。無(wú)論何種應(yīng)用，壓力傳感器都圍繞以下基本原理展開(kāi)： 將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

制作秤有幾種可能的配置;所示示例使用四個(gè)負(fù)載傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)換 機(jī)械應(yīng)變成電信號(hào)。負(fù)載傳感器的典型設(shè)計(jì)使用惠斯通電橋配置 包含兩個(gè)由壓電材料制成的電阻器和兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻器。兩個(gè)并行 電阻網(wǎng)絡(luò)由中心形成差分電壓形成。一個(gè)壓阻電阻器在 每個(gè)平行字符串的方向相反。施加的壓力在 兩個(gè)并聯(lián)電阻網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)中心點(diǎn)。差分電壓由ADC和 處理以計(jì)算施加到傳感器的壓力。圖5所示為MAXREFDES82#的框圖，MAXREFDES82#是集成MAX11254 ADC構(gòu)建智能力傳感器的參考設(shè)計(jì)。

圖5.MAXREFDES82# 框圖。

MAXREFDES82# 使用時(shí)序控制器模式 2 喚醒，循環(huán)切換四個(gè)模擬輸入，然后重新進(jìn)入睡眠模式。 使用四個(gè)負(fù)載傳感器可以估計(jì)所施加力的質(zhì)心和位置。

MAX11254包括多個(gè)GPIO引腳，具有多種用途，包括器件同步、外部 時(shí)鐘輸入或數(shù)字輸出。序列器模式 1 和 2 要求用戶(hù)手動(dòng)控制 GPO/GPIO 引腳使用 GPO_DIR 和 GPIO_CTRL 寄存器，而序列器模式 3 可以自動(dòng)控制 GPO/GPIO 引腳。GPO 引腳是將其輸入連接到 GPOGND 引腳的模擬開(kāi)關(guān)。 這允許用戶(hù)在不需要傳感器時(shí)斷開(kāi)傳感器接地路徑，從而節(jié)省電源 三種排序模式中的任何一種。

應(yīng)用示例3：電源效率

為了獲得最節(jié)能的系統(tǒng)，可以將系統(tǒng)設(shè)置為自動(dòng)喚醒，使能傳感器， 執(zhí)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，然后禁用傳感器并返回睡眠狀態(tài)。這一切都可以完成 使用音序器模式 3。通過(guò)使用GPIO引腳作為數(shù)字輸出，它們可用于控制傳感器本身 或?yàn)閭鞲衅鞴╇姷脑O(shè)備，例如 LDO?；蛘撸梢赃B接傳感器接地回路節(jié)點(diǎn) 到 GPO 引腳，以便用戶(hù)可以在不需要傳感器時(shí)“斷開(kāi)”電路路徑。圖 6 強(qiáng)調(diào) 連接到GPO引腳的兩個(gè)惠斯通電橋接地節(jié)點(diǎn)的連接。

圖6.電路示例為惠斯通電橋接地節(jié)點(diǎn)連接到MAX11254的GPO引腳。

打開(kāi)和關(guān)閉傳感器的一個(gè)問(wèn)題是，傳感器在 該通道的測(cè)量值。MAX11254具有延遲寄存器，允許轉(zhuǎn)換延遲 以及 GPO/GPIO 的延遲，以便遵守適當(dāng)?shù)臅r(shí)間限制。通過(guò)使用 GPO/GPIO 引腳 實(shí)際上，系統(tǒng)可以更高效地運(yùn)行。

結(jié)論

MAX11254為高度集成的ADC，具有豐富的功能，幾乎適用于任何應(yīng)用。 24 位分辨率和 PGA 允許測(cè)量從 pV 到 V 的信號(hào)。三種排序模式提供 通道轉(zhuǎn)換時(shí)序具有高度靈活性，可通過(guò)限制處理器干預(yù)來(lái)節(jié)省系統(tǒng)功耗。 校準(zhǔn)方案可確?？煽亢鸵恢碌臏y(cè)量，并且 GPO/GPIO 功能可用于 創(chuàng)建更智能、更節(jié)能的傳感器系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷