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24位A/D轉換器LTC2400及其應用
摘要：LTC2400是凌特公司（Linear）生產的一種微功能、高精度24位A/D轉換器，該芯片內部集成有振蕩器，工作電壓為2.7～5.5V，積分線性誤差（INL）為4ppm，RMS噪聲為0.3ppm，供電電流僅為200μA（待機時為20μA），采用Δ-∑技術獨特的體系結構，建立時間為單周期。文中介紹了LTC2400的主要功能和串行接口方法，給出了LTC2400與單片機的接口電路。關鍵詞：LTC2400A/D轉換器數據采集單片機
１ＬＴＣ２４００的引腳功能和內部結構
ＬＴＣ２４００采用與ＳＰＩ接口兼容的３線數字接口，可應用于高分辨率和低頻應用場合，如稱重、溫度測量、氣體分析、應變儀，數據采集，工業控制等方面。它采用８腳ＳＯ－８封裝，其引腳排列如圖１所示。其引腳功能如下：
１腳ＶＣＣ：電源；
２腳ＶＲＥＦ：參考電壓輸入端；
３腳ＶＩＮ：模擬信號輸入腳；
４腳ＧＮＤ：接地腳；
５腳ＣＳ：片選端，低電平有效；
６腳ＳＤＯ：數據輸出端，同時也是轉換數據有效的指示端；
７腳ＳＣＫ：時鐘腳，雙向；
８腳ＦＯ：數字輸入腳，用于選擇需要抑制的頻率和ＡＤ轉換時間。
ＬＴＣ２４００的供電電壓ＶＣＣ的范圍為２．７～５．５Ｖ；所需外接基準電壓源的電壓范圍為０．１Ｖ～ＶＣＣ；模擬信號輸入ＶＩＮ的輸入電壓范圍為－０．１２５ＶＲＥＦ～１．１２５ＶＲＥＦ。
ＬＴＣ２４００內部已集成了高精度的振蕩器，因此采用片內振蕩器時?不需要外接任何元件。ＬＴＣ２４００的數字濾波器能夠抑制５０Ｈｚ或６０Ｈｚ及其諧波。當芯片的Ｆ０腳接ＶＣＣ時，使用內部振蕩器可對輸入信號中的５０Ｈｚ干擾進行大于１１０ｄＢ的抑制，其ＡＤ轉換時間為１６０ｍｓ；Ｆ０腳接ＧＮＤ時，使用內部振蕩器可對輸入信號中的６０Ｈｚ干擾進行大于１１０ｄＢ的抑制，ＡＤ轉換時間為１３３ｍｓ；當Ｆ０腳接外部振蕩器ｆＥＯＳＣ時，其抑制的頻率為ｆＥＯＳＣ／２５６０，ＡＤ轉換時間為２０４８／ｆＥＯＳＣ。圖２所示為ＬＴＣ２４００的內部結構。
２ＬＴＣ２４００的工作過程及串行輸出
２．１ＬＴＣ２４００的工作過程
ＬＴＣ２４００是一種低功耗、采用Δ－Σ技術且具有３線串行接口的ＡＤ轉換器，而且在ＡＤ轉換完成后將直接進入睡眠狀態。ＬＴＣ２４００的三線接口線分別是數據輸出（ＳＤＯ）、時鐘（ＳＣＫ）和片選（ＣＳ）。其工作流程如圖３所示。
ＬＴＣ２４００完成轉換就進入睡眠狀態。睡眠狀態的供電電流僅為２０μＡ。若ＣＳ一直為高電平，芯片將保持睡眠狀態。進入睡眠狀態時，數據最后的轉換結果將保存在芯片內部的靜態移位寄存器中。
當ＣＳ變為低電平時，ＬＴＣ２４００開始輸出轉換結果，此時數據轉換沒有等待時間，輸出數據即為剛進行的轉換結果。該轉換結果是在串行時鐘ＳＣＫ的控制下由ＳＤＯ輸出的，并在ＳＣＫ的下降沿更新，而在ＳＣＫ的上升沿可靠讀取。當３２位數據從ＬＴＣ２４００讀出或當ＣＳ被拉高時，數據輸出結束。此后ＬＴＣ２４００將自動開始新的數據轉換和重復周期。
２．２ＬＴＣ２４００的串行輸出接口
通過對ＣＳ和ＳＣＫ的控制，ＬＴＣ２４００可以提供幾種靈活的接口模式（內部或外部的ＳＣＫ模式）。不同轉換模式的選擇無需對ＬＴＣ２４００的寄存器進行設置，并且不影響數據轉換周期。使用時鐘信號ＳＣＫ（ＰＩＮ７）控制轉換數據的輸出時，轉換結果將在時鐘ＣＬＫ的下降沿由ＳＤＯ腳輸出。在內部時鐘模式，ＳＣＫ信號由ＬＴＣ２４００產生輸出?在外部ＳＣＫ模式，ＳＣＫ為ＬＴＣ２４００外部輸入的時鐘信號。下面詳細介紹外部串行時鐘的三線接口方法。
當ＬＴＣ２４００上電時，如果ＳＣＫ為低電平，轉換進入外部串行模式；在ＣＳ信號的下降沿，ＳＣＫ信號必須為低電平。
當ＣＳ為高電平時，ＳＤＯ為高阻態，此時，ＳＤＯ連接的接口線可以作為其它應用。如果ＬＴＣ２４００在轉換和睡眠時?ＣＳ為低電平，那么，ＳＤＯ的輸出狀態將用于指示ＥＯＣ。在ＡＤ轉換階段，ＳＤＯ的輸出狀態ＥＯＣ將變為高電平，而一旦轉換完成，ＥＯＣ又變為低電平。在ＬＴＣ２４００處于睡眠狀態時，如果ＣＳ為低電平，系統會在ＳＣＫ的上升沿將其喚醒。圖４所示是ＬＴＣ２４００的外部串行時鐘接口時序圖。
ＣＳ信號除用來檢測ＬＴＣ２４００的狀態和輸出ＡＤ轉換數據外，還可用來控制全部串行數據輸出之前進行的新一次ＡＤ轉換。在ＬＴＣ２４００處于數據輸出狀態時，ＣＳ由低變高以停止串行輸出，同時開始新的ＡＤ轉換。
由于在ＣＳ為高電平時，數據輸出端ＳＤＯ為高阻態，因此，在ＬＴＣ２４００的轉換過程中，可通過將ＣＳ變為低電平來檢測轉換狀態。當ＣＳ為低電平時，ＳＤＯ腳輸出的ＥＯＣ信號為１，表示轉換正在進行；ＥＯＣ為０表示轉換完成，系統處于睡眠狀態。當ＬＴＣ２４００處于睡眠狀態時，其轉換結果將保存在內部移位寄存器中。ＣＳ為低可在ＳＣＫ的上升沿喚醒ＬＴＣ２４００，此時轉換數據將在ＳＣＫ的下降沿串行輸出。ＥＯＣ通常在ＳＣＫ的第一個上升沿被鎖存，直到第３２個上升沿鎖存結束，同時，系統將在第３２個下降沿開始的新一輪轉換。
圖4外部串行時鐘接口時序圖
一般情況下，在數據輸出過程中，如果ＣＳ為低電平，那么，系統將在ＳＣＫ的第一個上升沿和第３２個下降沿中間將ＣＳ變高以停止數據輸出。
３和ＡＴ８９Ｃ２０５１單片機的接口應用
利用ＬＴＣ２４００實現高精度信號采集功能的系統原理圖如圖５所示。在該數據采集系統中，ＬＴ２４００芯片的外圍電路十分簡單。ＡＴ８９Ｃ２０５１單片機作為控制器，其中Ｐ１．４、Ｐ１．５和Ｐ１．６與ＬＴＣ２４００的ＳＣＫ、ＳＤＯ和ＣＳ相連，數據轉換結果也通過該串行口輸出；該系統采用電壓為５Ｖ的基準源；信號由ＬＴＣ２４００的ＶＩＮ輸入，輸入的電壓范圍為－０．６２５～５．６２５Ｖ；轉換速率為６．２５ＰＰＳ；數據通過ＡＴ８９Ｃ２０５１的ＲＸＤ和ＴＸＤ并經ＭＡＸ２０２進行電平轉換后由串行口輸出給上位機。
圖5LTC2400數據采集原理圖
通過實際應用證明，ＬＴＣ２４００芯片具有很高的性能，可以較好地實現預期的設計功能，目前?筆者已將其應用在地震前兆形變觀測儀器中，且效果良好。
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