低成本双通道±14位串行ADC：MAX110/MAX111深度解析

在电子设计领域，模拟到数字的转换是一个关键环节，而ADC（模拟 - 数字转换器）的性能直接影响到整个系统的精度和稳定性。今天我们来深入了解一下MAXIM公司的两款低成本、双通道、±14位串行ADC——MAX110和MAX111。

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一、产品概述

MAX110和MAX111采用内部自动校准技术，无需外部组件即可实现14位分辨率加超量程功能。它们的工作电源电流极低，MAX110仅为550µA，在掉电模式下可降至4µA，非常适合高分辨率电池供电或远程传感应用。其快速串行接口简化了信号路由和光隔离，节省了微控制器引脚，并且与SPI™、QSPI™和MICROWIRE™兼容。

1. 供电与输入范围

MAX110使用±5V电源，可转换 -3V至 +3V范围内的差分模拟信号；MAX111使用单 +5V电源，可转换±1.5V范围内的差分模拟信号，或0V至 +1.5V范围内的单端信号。

2. 封装形式

两款器件均提供节省空间的16引脚DIP和SO封装，以及更小的20引脚SSOP封装，方便不同应用场景的选择。

二、应用领域

MAX110/MAX111的应用范围广泛，包括过程控制、称重秤、面板仪表、数据采集系统和温度测量等。在这些应用中，其高精度和低功耗的特性能够满足系统对数据采集的要求。

三、产品特性

1. 电源与分辨率

• 电源：MAX111采用单 +5V电源，使用更方便。
• 分辨率：具备14位分辨率加符号和超量程功能，能够提供高精度的转换结果。

2. 线性度

• MAX110的线性度为0.03%，MAX111为0.05%，保证了转换结果的准确性。

3. 低功耗

• 工作电流低，MAX110为550µA，MAX111为640µA，掉电电流仅为4µA，适合电池供电设备。

4. 转换速度

最高可达50次转换/秒，能够满足大多数应用的实时性要求。

5. 抗干扰能力

具有50Hz/60Hz抑制能力，减少了电源干扰对转换结果的影响。

6. 自动校准

支持自动校准模式，无需外部组件，可在微处理器控制下进行偏移和增益误差校正。

四、电气特性

1. 精度相关

• 分辨率：均为14 + POL + OFL位，其中32,768 LSBs覆盖 ±VREF的输入电压范围（15位），当VIN > VREF时，额外的OFL位会被设置。
• 微分非线性（DNL）：小于 ±2 LSB，主要误差来源是噪声，可通过平均进一步改善。
• 相对精度（INL）：不同型号和输入范围下有所不同，如MAX110AC/E在 -VREF ≤VIN ≤VREF范围内为 ±0.03%，在 -0.83 x VREF ≤VIN ≤0.83 x VREF范围内为 ±0.015%。

2. 输入特性

• 模拟输入：差分输入电压范围为 -VREF至 +VREF，绝对输入电压范围根据不同型号有所不同。输入偏置电流为500nA，输入电容为10pF。
• 参考输入：差分参考输入电压范围和绝对参考输入电压范围也因型号而异，参考输入电流为500nA，参考输入电容为10pF。

3. 转换时间

同步转换时间可通过控制位CONV1 - CONV4设置，有10,240、20,480、81,920和102,400时钟周期/转换等多种选择，对应的标称转换时间分别为20.48ms、40.96ms、163.84ms和204.80ms。

4. 数字输入输出

• 输入：输入高电压为2.4V，输入低电压为0.8V，输入电容为10pF，输入泄漏电流为 ±1µA。
• 输出：输出低电压为0.4V，输出高电压为VDD - 0.5V，泄漏电流为 ±10µA，输出电容为10pF。

5. 电源要求

• 正电源电压范围为4.75V至5.25V，负电源电压范围（MAX110）为 -4.75V至 -5.25V。
• 正电源电流在不同工作模式下有所不同，如连续转换模式下，MAX110为550 - 950µA，MAX111为640 - 1200µA，掉电电流均为4 - 10µA。

五、工作原理

MAX110/MAX111采用一阶sigma - delta环路将低频模拟信号转换为16位串行数字输出（14位数据位、1位符号位和1位超量程位）。差分输入电压通过内部的精密电压 - 电流转换器转换为电流，经过积分和比较后，驱动上下计数器和1位DAC，最终完成转换。

1. 过采样时钟

XCLK内部连接到时钟频率分频网络，其输出作为ADC的过采样时钟fOSC。可选择内部RC振荡器或外部时钟作为时钟源，并可将其分频为1、2或4倍。

2. 转换过程

在转换过程中，比较器输出是一个VREF到VREF +的方波，其占空比与输入差分电压的大小成正比。上下计数器以过采样时钟速率对比较器输出进行计数，并对脉宽调制（PWM）方波进行平均，得到转换结果。

六、数字接口与操作

1. 启动转换

通过拉低CS并在SCLK上施加串行时钟，数据可以在串行I/O移位寄存器中进行传输。输出数据在SCLK的下降沿时钟输出，应在SCLK的上升沿读取；输入数据在SCLK的上升沿时钟输入。当CS返回高电平且输入控制字的MSB（NO - OP）为1时，开始新的转换。

2. 与串行接口的兼容性

MAX110/MAX111与SPI、QSPI（CPHA = 0，CPOL = 0）和MICROWIRE串行接口标准兼容，方便与微处理器进行连接。

3. I/O移位寄存器

使用16位全静态移位寄存器进行串行数据传输，控制字的MSB（NO - OP）决定是否将控制字传输到控制寄存器并启动新的转换。

七、校准与编程

1. 3步校准

为了获得最佳性能，需要对ADC进行校准，包括偏移校正和增益校准。具体步骤如下：

• 步骤1：设置新的转换速度（如有需要），并将内部ADC输入短路到REF - 进行偏移校正转换，结果存储在零寄存器中。
• 步骤2：以零寄存器的内容为起始值进行增益校准转换，结果存储在校准寄存器中。
• 步骤3：将内部ADC输入短路到所选输入通道的负输入（IN1 - 或IN2 - ）进行偏移归零转换，然后进行第一次信号转换。

2. 编程转换时间

通过控制寄存器的9 - 12位（CONV1 - CONV4）控制每个转换所需的过采样时钟周期数，从而确定转换时间和分辨率。

3. 选择过采样时钟频率

过采样频率fOSC的选择对相对精度性能有重要影响，最佳频率范围为450kHz至700kHz。可通过设置DV2和DV4位来编程时钟频率分频网络。

4. 50Hz/60Hz线频率抑制

通过选择合适的过采样时钟频率和时钟周期/转换设置，使转换时间等于线周期的整数倍，可实现对50Hz或60Hz的高抑制。

八、应用信息

1. 布局、接地和旁路

为了减少噪声，每个电源应通过0.1µF电容旁路到GND，并在模拟电路下方放置接地平面。同时，应尽量将数字线路远离模拟组件和线路。

2. 电容负载效应

在使用内部RC振荡器时，应尽量减小XCLK引脚的电容负载，以避免VDD功耗增加。

3. 外部参考

ADC的参考输入具有高阻抗，可用于外部电压参考和比例应用，无需考虑负载效应。

4. 应用案例

• 称重秤应用：MAX111的全差分模拟信号和参考输入使其易于与具有差分输出的传感器（如负载细胞）接口，无需差分放大器。
• 热电偶电路：通过软件补偿可消除热电偶测量中的温度相关误差，实现准确的温度测量。

九、订购信息

MAX110和MAX111提供多种温度范围和封装形式可供选择，用户可根据实际需求进行订购。

总之，MAX110/MAX111是两款性能优异的低成本ADC，在精度、功耗和接口兼容性等方面都表现出色。电子工程师在设计相关系统时，可以根据具体应用场景充分发挥它们的优势，实现高效、准确的数据采集。你在使用这类ADC时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。