简介

delta-sigma ADC由于拥有高准确性及高杂讯抗扰性，因此是用来直接测量许多型式感测器的理想选择。要求高精度量测的感测器，例如RTD、酸碱度感测器、及桥式感测器等，通常拥有极高内阻抗值，而进入ADC的输入取样电流，将可能对高电源阻抗、低频宽或微功率讯号处理电路产生不良影响。

问题来自于delta-sigma转换器的切换电容输入结构。当电容迅速地在输入、参考及接地端之间根据最终输出码切换动作时（速率可高达10MHz），每当电容被切换至ADC 输入，便将引起电流脉冲，而ADC 的输入针脚处，可看到充电／放电脉冲曲线，这个曲线是输入及参考电压的复数函数。在各个取样期间没有完全被安置的外部RC网路、高阻抗感测器及微功率放大器，也将引起大DC错误。

欲解决此问题的技巧，是利用delta-sigma转换器的过取样特质，依据每个取样基准切换的前端电容，和传统delta-sigma转换器取样相同。凌力尔特（Linear）的创新Easy Drive 前端取样架构，可控制电容列阵的开关曲线。当整个转换周期进行总和时，全差动输入电流为零，不会受到差动输入电压、共模输入电压、参考电压或输出代码所影响。这个共模输入电流是固定的，并与输入共模电压及参考共模电压间的差动之间成比例。

这些Easy Drive ADC具备丰富的功能，但设计却不复杂。在许多应用中，输入不需主动放大或滤波作用，透过一个单一输入暂存器及单一输出暂存器，此软体界面可大幅简化。许多属于ADC的复杂性、例如外部零组件及软体计时等，都能轻易地排除，因而能大幅节省设计及测试时间。

热敏电阻量测实例

delta-sigma ADC 的通用实例为热敏电阻测量。 (图一) 则显示受益于Easy Drive技术之热敏电阻的两个数位化案例。第一个用于输入通道CH0 及CH1的电路，使用2个对等的参考电阻，来平衡共模输入／参考电压及平衡差动输入来源阻抗。如果参考电阻R1及R4确实相等，此输入电流为零，且无误差产生。如果这些电阻具有1％误差，则来自转移至共模电压的受测电阻，最大错误则是1.6?，远低于参考电阻自身的1％误差。由于不需放大器，因此本身就能成为微功率应用的理想解决方案。

《图一 透过一个缓冲／低旁路滤波组合，高阻抗热敏电阻可直接连接ADC路径示意图》 - BigPic:708x337

这种架构同样可应用于非常低功耗且低频宽的放大器，以驱动LTC2492 ADC的输入。如图一所示，CH2为LT1494所驱动。对于具备1.5μA供应电流的放大器而言，LT1494拥有绝佳的DC规格，其提供150μV的最大补偿电压及100000的开路回路增益。然而，2kHz的频宽量并不适合用来驱动传统delta sigma ADC。如果加入一个1kΩ、0.1μF的滤波器，则可透过提供一个供应LTC2492瞬间电流的充电库，来解决这个问题，1kΩ电阻则会从LT1494隔离电容性负载。传统delta sigma ADC的输入取样电流，将因外部RC网路不完备的安置而导致DC错误。透过以1kΩ-0.1μF RC网路平衡负输入电压（CH3），则可让共模输入电流而产生的错误消除。

高效能资料撷取

透过软体相容的24位元及16位元、1通道、4通道及16通道版本，Easy Drive ADC可提供广泛的应用。具备内建温度感测器的24位元、16通道LTC2498，是高效能资料撷取系统的理想选择，其可直接数位化热电偶，不需任何讯号处理并提供冷接面补偿，同样也可直接量测低位准的应变输出；同时还能透过额外的简易电阻分压器，来处理大于5V的工业感测器电压，而不需主动电路。

16 位元、16 通道转换器则是在拥有数个高电流供应之大电路板中，量测电压及电流的理想选择。如果COM针脚针对所有供电接地至共位点，则将能同时量测16 个接地电压。只要并联共模电压小于或等于ADC的供电电压，运用8个差动输入通道，便可达到电流并联的高压端感测。差动量测同时可进行远端感测电压，能排除因大接地电流而产生的误差。整体而言，LTC2498 可量测8个差动输入或16个接地参考／单端输入。(图二)所示则为一量测多台应变、电流感测及远端感测器的实例示意图。

《图二 量测多台应变、电流感测及远程传感器的实例示意图》 - BigPic:560x319

外部缓冲/放大器之自动补偿校正

除Easy Drive输入电流取消之外，16 通道Easy Drive ADC 还可使外部放大器加入多工器输出及ADC 输入间，如(图三)所示。对于无法平衡来源阻抗、或来源阻抗非常高的应用而言，这种设计非常实用，一双外部缓冲／放大器可共用于16组类比输入及共同输入间（COM）。 LTC2494 是LTC2498 之可编程增益版本的16 位元元件，其于任一转换周期，均可进行内部补偿校准，以排除ADC的偏置及漂移。此校准是透过一个前端切换及数位处理之组合来进行，由于外部放大器被置于多工器及ADC之间，因此位于正确回路中，而能自动去除外部放大器的偏置及偏置漂移。

就此功能而言，LTC6078 能以低如2.7V之供应电压操作，而其电压杂讯位准则低如18nV／√Hz 。 LTC2494的Easy Drive输入，可使RC网路直接加入LTC6078的输出。此电容能降低ADC输入的电流冲击，而电阻则会从运算放大器输出隔离电容负载，达到稳定的操作性。

《图三 外部缓冲提供高阻抗输入、放大器补偿自动取消路径示意图》

Easy Drive优点

使用delta sigma ADC来进行供电量测的另一项重大优点，则是杂讯及切换暂态的强大拒斥。 ADC的内部SINC4 滤波器，结合在ADC输入的简易1-pole滤波器，可充分减弱切换供电的杂讯，到低于ADC的杂讯基准，达到对供电电压或电流DC值的绝对精准量测。

单通道16位LTC2482可应用于可携式医疗设备及消费性产品，低成本却不影响其功能，此16位元ADC具备如同24位元元件相同600nV的输入杂讯基准，这意味着其也是4又1／2 位手持、或具备±1 count 线性规格之bench-top电压表的理想选择。

现有18位Easy Drive ADC包括具备I2C或SPI 介面的单一或多通道版本，此24 位元适合于高效能应用，而16位元元件则适合一般用途。 16位元元件具备数位可编程增益（PGA），以符合介面需求，可包含数个输入范围之应用。

软体介面

这些ADC所具备类比连接要求的简易性，与其串行介面的简易性相符。凌力尔特所推出的No Latency Delta-Sigma架构，免除了在多重通道元件切换通道后、需移除指数的烦恼。转换的起始系由串列介面所直接控制，因此外部讯号处理或感测器激磁，可在适当的时机切换。在每个转换过程中的补偿及增益校准，可排除对复杂内部暂存器指令或校准循环的需求，SPI 及I2C介面零件之间的通讯，则是简单的读／写运作，其中的转换数据，将被读取为针对下一通道的配置数据而编入ADC。

虽然Easy Drive串列介面的设定非常简易，只需针对sample N读取资料，并同时针对通道N+1进行设定即可，但从除错器审阅通道微控制器的暂存器，试图找出什么资料已被读取时，这仍是需要相当的技巧。 Linear提供一项可具体降低编码设计难题的硬体诀窍，如(图四) 显示，一个将已知电压送至单端输入的简单电路，透过其所显示的值，CH0拥有101mV的电压、CH1为202mV，以此类推至CH15 所产生的电压为1.616V，透过此方式，将可快速排出与各输入通道相关的SDI代码。

《图四 可快速排出与各输入信道相关的 SDI 代码之示范电路示意图》

结论

透过Easy Drive ADC架构，量测高阻抗感测器变得更简单，设计师也可摆脱其ADC前端的放大器，而于ADC 输入加入小型分离电容，以作为充电库。透过单通道及多通道版本、I2C及 SPI、16或24 位元解析度， 完整的Easy Drive ADC系列将可精确地数位化任何感测器、负载电流或电压。

（本文作者均任职于Linear凌力尔特）