DN236: 单通道和双通道无延迟ΔΣ™ 24位ADC 轻松实现多种传感器的数字化，第一部分
自推出以来，LTC2400便改变了各类系统中模数转换器(ADC)的设计方式。LTC2400区别于传统高分辨率ADC的关键特性如下：
- 无需用户校准，即具备超低失调(1ppm)、失调漂移(0.01ppm/°C)、满量程误差(4ppm)和满量程漂移(0.02ppm/°C)
- 在整个工作温度范围内，总绝对准确度优于10ppm（含线性度、失调、满量程及噪声误差）
- 易用性高（8引脚封装，无配置寄存器，内置振荡器，转换无延迟）
- 低噪声且动态范围宽（ VREF = VCC = 5V时，RMS为0.3ppm）
这篇设计笔记分为两部分，将介绍两款采用LTC2400核心技术的新产品。两款器件均采用小巧的10引脚MSOP封装，并配备满量程和零量程设定输入引脚，可消除系统性失调/满量程误差。其中，第一款器件(LTC2401)为单通道单端输入器件；第二款器件(LTC2402)为双通道器件，具备自动乒乓通道选择功能。
这些器件的绝对准确度与近零漂移特性，催生了多种创新应用场景，本第一部分将介绍两类应用，另外两类应用则在第二部分呈现。第一类应用利用单通道器件(LTC2401)的满量程设定(FSSET)和零量程设定(ZSSET)输入引脚，实现半桥传感器的数字化。第二类应用结合LTC2402的乒乓通道选择、绝对准确度及出色抗干扰能力，构建伪差分桥路数字化器。第三类应用（第二部分介绍）是一款具备数字冷端补偿方案的热电偶数字化器，该方案通过LTC2402的自动乒乓通道选择功能简化光电隔离设计。最后一类应用（第二部分介绍）利用LTC2402实现电阻式温度检测器(RTD)的数字化，并借助其第二通道及欠量程功能，消除因引线过长导致的电压降误差。
带基准与接地检测的单端半桥数字化器
许多类型的传感器会将现实世界中的物理现象（如温度、压力、气体浓度等）转换为电压信号。通常，电压信号是通过让激励电流流经传感器产生的。激励电流同时也会流经寄生电阻 RP1和RP2 （见图1）。这些寄生电阻上产生的电压降会导致系统性失调误差与满量程误差。
图1. 带零量程与满量程检测的半桥数字化器
为消除这些寄生电阻带来的误差，LTC2401/LTC2402集成了满量程设定输入引脚(FSSET)与零量程设定输入引脚 (ZSSET)。如图1所示，FSSET引脚用作高阻抗满量程检测输入引脚。ADC的FSSET输入可消除与半桥传感器串联的寄生电阻RP1所导致的误差。
当输入电压 VIN = VB = FSSET时，ADC会输出绝对满量程值（数据输出 = FFFFFFHEX）。同理，接地检测输入ZSSET 可消除寄生电阻RP2带来的偏置误差。当输入电压VIN = VA = ZSSET时，ADC输出绝对零值（数据输出 =000000HEX）。由于 FSSET、ZSSET和VIN引脚的漏电流典型值仅为1nA，寄生电阻RP3至RP5所产生的误差可忽略不计。LTC2401具备宽动态输入范围（-300 mV至5.3V）与低噪声特性(0.6ppm RMS)，能够直接对桥式传感器的输出信号进行数字化处理。
伪差分应用
设计人员选择全差分拓扑结构，通常出于以下几点原因：首先，这类拓扑与4线或6线桥式的接口连接较为简单（桥式本身为差分输出）；其次，这类拓扑对工频噪声具备良好的抑制能力；第三，全差分拓扑通常需处理叠加在大共模电压上的小差分信号，且要求在不受共模输入电压影响的前提下，实现对差分信号的精准测量。目 前，出于上述任意一种原因而采用全差分模数转换器(ADC)的诸多应用场景，均有望通过LTC2402升级为伪差分转换方案。
LTC2402可直接与4线或6线桥式连接（见图2）。与LTC2401类似，LTC2402同样配备满量程设定引脚(FSSET)与零量程设定引脚(ZSSET)，能够直接检测桥路两端的激励电压，从而消除激励电流流经寄生电阻所产生的误差。LTC2402还集成了两个单端输入通道，可直接连接至桥式的差分输出端。对这两个通道的转换结果进行数字相减，即可得到差分信号结果；
图2. 伪差分应变计应用
同时，单个通道的测量值还能反映传感器的共模输出，该信息可用于表征并通过数字方式补偿传感器的温度漂移。
噪声抑制
LTC2402对工频(50Hz/60Hz ±2%)及其谐波的单端抑制比优于110dB。由于该器件可执行两次独立的单端转换，且每次转换的噪声抑制比均大于110dB，因此其整体共模抑制比与差分抑制比，远优于其他差分Δ-Σ转换器通常具备的80dB抑制比。
除对工频噪声具备出色抑制能力外，得益于内置的4阶sinc滤波器，LTC2402对宽频率范围的噪声也能实现优异的单端抑制（见图3）。每次单端转换均可独立抑制高频噪声(>60Hz)。需特别注意的是，应确保电路中不存在15Hz以下频率的噪声，也不存在ADC采样率(15,600Hz)整数倍频率的噪声。对于本应用场景，建议将LTC2402紧贴桥式传感器放置，以减少输入至ADC的噪声。通过执行三次连续转换(CH0-CH1-CH0)，可对漂移与低频噪声进行测量，并通过数字方式实现补偿。
图3. LTC2401/LTC2402 单端输入抑制
作者
