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高精度单片数据采集系统MAX1400的原理及应用

摘要：max1400是美国maxim公司推出的一种基于∑-△a/d转换技术的高精度单征数据采集系统芯片。文中介绍了它的工作原理、内部结构及编程要点，并给出了max1400应用在压力变送器中的一种典型应用电路。 关键词：数据采集系统 a/d转换 ∑-△a/dc max1400 传统的数据采集系统大多采用nyquist率adc（积分型、逐次比较型、闪烁型等），当需要较高分辨率时（16bit以上），这些传统的a/d转换技术将面监很多困难，因为它们需要复杂的高阶模拟抗混迭滤波器、定时以及幅度误差都极小的采样-保持电路等，因而实现起来困难较大，成本很高。新型的∑-△a/d转换技术能够比较低的成本获得极高的分辨率（16bit以上），但速度不易做得很高，这一点非常符合不需要很高速率，但要求较高分辨率的数字音响产品，因而首先在音频领域得到了广泛应用。大多数数据采集系统对转换速率的要求低于音频，但精度要求较高，也很适合采用∑-△结构的adc。为此，很多模拟器件制造商开发了专用于数据采集领域的∑-△adc，并将数据采集普遍需要的模拟前端功能集成在一起，如多路复用器、可编程增益放大器（pga）、增益及

基于HART协议的智能变送器设计

功能，在电路硬件设计上，需要1个增益可调的仪表放大器和1个分辨率至少在14位的a/d转换器，来实现对传感器信号的放大和模数转换。这样才能达到智能变送器的高精度、自动调节量程、大量程比的设计要求。对智能差压变送器，还需要对静压和温度进行采样，从而实现对静压和温度的补偿，提高全范围的测量精度。这样，还需要1个多路转换器实现通道间的切换。如果选用分立元件，必然会有相当大的功耗引入，难以满足hart协议智能变送器功耗要求。某些大公司为兼容4～20ma的智能变送器设计了专用a/d转换器，如maxim公司的max1400和ad公司的ad7714。其共同点是将增益可调的仪表放大器、多路转换器和a/d转换器集成在1个芯片中，功耗在几百μa左右，为实现hart协议智能变送顺提供了方便。 max1400基本性能：（1）max1400[1]为低功耗、多通道、带spi同步串行口的∑/δa/d转换器；（2）18位分辨率；（3）3个全差分或5个准差分信号输入通道；（4）可编程pga，选定增益分别为（1，2，4，8，16，32，64或128）；（5）ain1～ain6可组成3个全差分输入通道，也可以组合成5个准差输入通道；（6

电阻电桥基础

和内部放大器，使高分辨率adc的使用变为现实。这些σ－δ adc提供了一个更为经济的方案，而不需要增加其它元器件。这不仅减小了电路板尺寸，还避免了放大和电平移位电路所引入的漂移误差。 工作于5v电源的典型σ-δ转换器，采用2.5v参考电压，具有±2.5v的输入电压范围。为了满足我们对于压力传感器分辨率的要求，这种adc的动态范围应当是：(2.5v - (- 2.5v)) / (30μv/count) = 166,667 counts。这相当于17.35位，很多adc都能满足该要求，例如18位的max1400。如果选用sar adc，则是相当昂贵的，因为这是将18位转换器用于13位应用，且只产生11位的结果。然而，选用18位(17位加上符号位)的σ-δ转换器更为现实，尽管三个最高位其实并没有使用。除了廉价外，σ-δ转换器还具有高输入阻抗和很好的噪声抑制特性。 18位adc可以使用带内部放大器的更低分辨率的转换器来代替，例如16位的max1416。8倍的增益相当于将adc转换结果向高位移了3位。从而利用了全部的转换位并将转换需求减少到15位。是选用无增益的高分辨率转换器，还是有增益的低分辨率转换器，

揭开Σ-ΔADC的神秘面纱

带外量化噪声并改善adc的分辨率。数字滤波器决定了信号带宽、建立时间和阻带抑制。 σ-δ转换器中广泛采用的滤波器拓扑是sinc3，一种具有低通特性的滤波器。这种滤波器的一个主要优点是具有陷波特性，可以将陷波点设在和电力线相同的频率，抑制其干扰。陷波点直接相关于输出数据速率（转换时间的倒数）。sinc3滤波器的建立时间三倍于转换时间。例如，陷波点设在60hz时（60hz数据速率），建立时间为3/60hz=50ms。有些应用要求更快的建立时间，而对分辨率的要求较低。对于这些应用，新型adc诸如max1400系列允许用户选择滤波器类型sinc1或sinc3。sinc1滤波器的建立时间只有一个数据周期，对于前面的举例则为1/60hz=16.7ms。由于带宽被输出数字滤波器降低，输出数据速率可低于原始采样速率，但仍满足nyquist定律。这可通过保留某些采样而丢弃其余采样来实现，这个过程就是所谓的按m因子"抽取"。m因子为抽取比例，可以是任何整数值。在选择抽取因子时应该使输出数据速率高于两倍的信号带宽。这样，如果以fs的频率对输入信号采样，滤波后的输出数据速率可降低至fs /m，而不会丢失任何信息。

如何实现大信号输出的硅应变计与模数转换器（ADC）的接口

双极性输入和内部放大器，使高分辨率adc的使用变为现实。这些σ-δadc提供了更为经济的方案，而不需要增 加其他元器件。这不仅减小了电路板尺寸，还避免了放大和电平移位电路所引入的漂移误差。 工作于5v电源的典型σ-δ转换器，采用2.5v参考电压，具有±2.5v的输入电压范围。为了满足我们对于压力传感器分辨率的要求，这种adc的 动态范围应当是：(2.5v - (- 2.5v)) /(30μv/count)=166 667，这相当于17.35位的分辨率，很多adc都能满足该要求，例如18位的max1400。如果选用sar adc，则产生很大的浪费，因为这是将18位转换器用于13位应用，且只产生11位的结果。然而，选用18位(17位加上符号位)的σ-δ转换器更为现 实，尽管三个最高位其实并没有使用。因为除了廉价外，σ-δ转换器还具有高输入阻抗和很好的噪声抑制特性。 18位adc可以用内置放大器的低分辨率转换器来代替，例如16位的max1416。其8倍的增益相当于将adc转换结果向高位移了3位，从而利用 了全部的转换位并将转换需求减少到15位。不过要选用无增益的高分辨率转换器，还是有增益的低分

高精度单片数据采集系统MAX1400的原理及应用

　　摘要：MAX1400是美国MAXIM公司推出的一种基于∑-△A/D转换技术的高精度单征数据采集系统芯片。文中介绍了它的工作原理、内部结构及编程要点，并给出了MAX1400应用在压力变送器中的一种典型应用电路。

• MAX1400

  18位分辨率，∑-△模数转换器；16位480SPS无失码性能； 低静态电流；250ptA(操作模式)；2μA(掉电模式)；3全差分或5伪差分信号输入通道；2个全差分校正通道/辅助输入通道；存取复用器输出/模数转换器输入；可编程增益和失调；全差分基准输入；不断转换或命令；自动通道扫描和连续性数据输出模式；＋5V模拟电源和＋3V或＋5V数字电源，SPITM/QSPPTM兼容3线串行接口；28引脚SSOP封装