LTC1293/LTC1294/LTC1296：单芯片12位数据采集系统的深度解析

在电子设计领域，数据采集系统是至关重要的一环，它能够将模拟信号转换为数字信号，为后续的处理和分析提供基础。今天，我们就来深入探讨一下Linear Technology公司的LTC1293/LTC1294/LTC1296单芯片12位数据采集系统。

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产品概述

LTC1293/LTC1294/LTC1296是一系列包含串行I/O逐次逼近型A/D转换器的数据采集系统。它们采用LTCMOS™开关电容技术，可进行12位单极性或11位加符号双极性A/D转换。输入多路复用器可配置为单端或差分输入（或其组合），并且所有单端输入通道都包含片上采样保持电路。在低功耗应用中，当器件空闲时可以进行掉电操作，其中LTC1296还包含一个系统关断输出引脚，可用于在输入多路复用器之前对外部电路（如信号调理电路）进行掉电操作。

产品特性

软件可编程特性

• 极性转换：支持单极性/双极性转换，可根据实际需求灵活选择。
• 输入模式：提供差分/单端输入选项，满足不同的信号采集需求。
• 数据序列：支持MSB优先或MSB/LSB数据序列，方便与不同的系统进行接口。
• 电源管理：具备电源关断功能，可有效降低功耗。
• 采样保持：内置采样保持电路，确保信号采集的准确性。

电源特性

支持单电源5V或±5V操作，适应不同的电源环境。

接口特性

可直接与大多数MPU串行端口和所有MPU并行端口进行4线接口，方便与微处理器进行通信。

性能特性

• 高吞吐量：最大吞吐量速率可达46.5kHz，能够满足高速数据采集的需求。
• 快速转换：最大转换时间为12µs（在全温度范围内），保证数据采集的实时性。
• 低功耗：电源电流仅为6.0mA，降低了系统的功耗。

关键规格

参数	详情
分辨率	12位
转换时间	最大12µs（全温度范围）
电源电流	6.0mA
模拟和参考输入范围	(V – ) – 0.3V 到 VCC + 0.3V
通道泄漏电流	±1µA

引脚功能

LTC1293

引脚编号	引脚名称	功能	描述
1 - 6	CH0 - CH5	模拟输入	模拟输入必须相对于AGND无噪声
7	COM	公共端	定义所有单端输入的零参考点，必须无噪声，通常连接到模拟接地平面
8	DGND	数字接地	内部逻辑的接地，连接到接地平面
9	V -	负电源	连接到电路中最负的电位（单电源应用中为接地）
10	AGND	模拟接地	应直接连接到模拟接地平面
11	VREF	参考输入	参考输入必须相对于AGND无噪声
12	DIN	数据输入	A/D配置字被移入此输入
13	DoUT	数字数据输出	A/D转换结果从此输出移出
14	CS	芯片选择输入	此输入为逻辑低电平时启用数据传输
15	CLK	时钟	此时钟同步串行数据传输并控制A/D转换速率
16	Vcc	正电源	此电源必须通过直接旁路到模拟接地平面来保持无噪声和纹波

LTC1294

引脚编号	引脚名称	功能	描述
1 - 8	CH0 - CH7	模拟输入	模拟输入必须相对于AGND无噪声
9	COM	公共端	定义所有单端输入的零参考点，必须无噪声，通常连接到模拟接地平面
10	DGND	数字接地	内部逻辑的接地，连接到接地平面
11	V -	负电源	连接到电路中最负的电位（单电源应用中为接地）
12, 13, 14	REF - , REF +	参考输入	参考输入必须相对于AGND无噪声，A/D看到的参考电压等于REF + 和REF - 之间的差值
15	D IN	数据输入	A/D配置字被移入此输入
16	D OUT	数字数据输出	A/D转换结果从此输出移出
17	CS	芯片选择输入	此输入为逻辑低电平时启用数据传输
18	CLK	时钟	此时钟同步串行数据传输并控制A/D转换速率
19, 20	AV CC, DV CC	正电源	这些电源必须通过直接旁路到模拟接地平面来保持无噪声和纹波，AV CC和DV CC必须连接在一起

LTC1296

引脚编号	引脚名称	功能	描述
1 - 8	CH0 - CH7	模拟输入	模拟输入必须相对于AGND无噪声
9	COM	公共端	定义所有单端输入的零参考点，必须无噪声，通常连接到模拟接地平面
10	DGND	数字接地	内部逻辑的接地，连接到接地平面
11	V -	负电源	连接到电路中最负的电位（单电源应用中为接地）
12	AGND	模拟接地	应直接连接到模拟接地平面
13, 14	REF - , REF +	参考输入	参考输入必须相对于AGND无噪声，A/D看到的参考电压等于REF + 和REF - 之间的差值
15	D IN	数据输入	A/D配置字被移入此输入
16	D OUT	数字数据输出	A/D转换结果从此输出移出
17	CS	芯片选择输入	此输入为逻辑低电平时启用数据传输
18	CLK	时钟	此时钟同步串行数据传输并控制A/D转换速率
19	SSO	系统关断输出	当请求电源关断时，系统关断输出引脚将变为低电平
20	V CC	正电源	此电源必须通过直接旁路到模拟接地平面来保持无噪声和纹波

工作原理

串行接口

LTC1293/4/6通过同步、半双工单线串行接口与微处理器和其他外部电路进行通信。时钟（CLK）同步数据传输，每个位在CLK下降沿传输，在上升沿捕获。输入数据先被接收，然后A/D转换结果被传输（半双工）。由于半双工操作，DIN和Dout可以连接在一起，允许通过CS、CLK和DATA（DIN/DOUT）三根线进行传输。

输入数据字

LTC1293/4/6的7位数据字在芯片选择变为低电平且识别到起始位后，在时钟上升沿被时钟输入到DIN输入。此后，DIN引脚的进一步输入将被忽略，直到下一个CS周期。输入字的定义如下：	位	功能
START	起始位，启动数据传输
SGL/DIFF	单端/差分选择
ODD/SIGN	奇数/符号选择
SELECT 1, SELECT 0	多路复用器地址选择
UNI	单极性/双极性选择
MSBF	MSB优先/LSB优先选择
PS	电源关断选择

多路复用器地址

输入字中跟随起始位的四位分配了请求转换的多路复用器配置。对于给定的通道选择，转换器将测量所选行中由 + 和 - 符号指示的两个通道之间的电压。在差分模式下，测量限于四个相邻输入对，具有任意极性；在单端模式下，所有输入通道相对于COM进行测量。

单极性/双极性转换

UNI位决定转换是单极性还是双极性。当UNI为逻辑1时，对所选输入电压进行单极性转换；当UNI为逻辑0时，进行双极性转换。

MSB优先/LSB优先

MSBF位用于编程LTC1293/4/6的输出数据为MSB优先或LSB优先序列。当MSBF为逻辑1时，数据以MSB优先格式出现在Dout线上；当MSBF为逻辑0时，LSB优先数据跟随正常的MSB优先数据出现在Dout线上。

电源关断

LTC1293/4/6的电源关断功能通过将PS位设置为逻辑0来激活。如果在接收到PS位后CS保持低电平，将移出一个全为逻辑1的12位Dout字，随后是逻辑0，直到CS变为高电平。然后Dout线将进入高阻抗状态。LTC 1293/4/6将保持在关断模式，直到下一个CS周期。

应用信息

微处理器接口

LTC1293/4/6可以直接（无需外部硬件）与大多数流行的微处理器（MPU）同步串行格式进行接口。如果使用没有专用串行端口的MPU，可以将MPU的三个并行端口线编程为形成与LTC1293/4/6的串行链路。

模拟考虑

接地

LTC1293/4/6应使用模拟接地平面和单点接地技术，避免使用绕线技术进行面包板和评估。为了实现最佳性能，建议使用PC板。模拟接地引脚（AGND）应直接连接到接地平面，数字接地引脚（DGND）也可以直接连接到该接地引脚。VCC应通过一个最小22µF的钽电容直接旁路到接地平面，并使用一个0.1µF的陶瓷圆盘电容进行高频旁路。

旁路

为了获得良好的性能，VCC必须无噪声和纹波。在转换周期内，VCC电压相对于接地的任何变化都可能在输出代码中引入误差或噪声。可以通过将VCC引脚直接旁路到模拟接地平面来保持VCC噪声和纹波低于0.5mV。

模拟输入

由于采用电容重新分配A/D转换技术，LTC1293/4/6的模拟输入具有电容性开关输入电流尖峰。这些电流尖峰很快就会稳定，不会造成问题。如果使用大的源电阻或慢速稳定的运算放大器驱动输入，需要确保由电流尖峰引起的瞬态在转换开始之前完全稳定。

源电阻

LTC1293/4/6的模拟输入看起来像一个100pF的电容（CIN）与一个500Ω的电阻（RON）串联。CIN在每个转换周期内会在（+）和（ - ）输入之间切换一次。大的外部源电阻和电容会减慢输入的稳定速度，因此需要确保整体RC时间常数足够短，以允许模拟输入在允许的时间内完全稳定。

输入运算放大器

当使用运算放大器驱动模拟输入时，重要的是运算放大器要在允许的时间内稳定。可以通过延长“+”和“ - ”输入的采样时间来适应较慢的运算放大器。大多数运算放大器，包括LT1006和LT1013单电源运算放大器，都可以在最大时钟速率为1MHz时的最小稳定窗口（“+”输入为2.5µs，“ - ”输入为1µs）内稳定。

RC输入滤波

可以使用RC网络对输入进行滤波。对于大的CF值（例如1µF），电容性输入开关电流会被平均为净直流电流。应选择一个小电阻和大电容的滤波器，以防止电阻上的直流压降。

输入泄漏电流

如果源电阻过大，输入泄漏电流也会产生误差。例如，在125°C时，最大输入泄漏规格为1µA，通过1kΩ的源电阻会导致1mV或0.8LSB的电压降。

采样保持

LTC1293/4/6为单端模式下采集的所有信号提供内置采样保持（S&H）功能。采样保持允许LTC1293/4/6转换快速变化的信号。在差分输入情况下，A/D转换的是两个电压之间的差值，“ - ”引脚的电压必须在整个转换时间内保持恒定，无噪声和纹波。

参考输入

LTC1293/4/6的参考输入电压决定了A/D转换器的电压跨度。参考输入由于开关电容转换技术而具有瞬态电容性开关电流。如果使用慢速稳定的电路驱动参考输入，需要确保由这些电流尖峰引起的瞬态在每个转换位测试期间完全稳定。

降低参考操作

通过减小转换器的输入跨度，可以提高LTC1293/4/6的有效分辨率。在低VREF值下操作时，需要考虑偏移和噪声等因素。

过压保护

将超过正电源或低于V - 的信号应用到LTC1293/4/6的模拟输入会降低A/D的精度，并可能损坏设备。可以通过适当的电源排序或使用外部电路来钳位或限制输入源的电流来防止这种情况发生。

典型应用

数字线性化铂电阻温度传感器信号调理器

该应用使用LTC1294对铂电阻温度传感器的信号进行采集和处理，通过线性化算法将温度信号转换为数字信号。

微功耗、5000V光隔离、多通道、12位数据采集系统

该系统每两秒访问一次，使用LTC1294进行数据采集，并通过光隔离器实现与外部电路的隔离。

总结

LTC1293/LTC1294/LTC1296单芯片12位数据采集系统具有丰富的功能和良好的性能，适用于各种数据采集应用。在设计过程中，需要充分考虑其电气特性、接口要求和应用注意事项，以确保系统的稳定性和可靠性。你在实际应用中是否遇到过类似的数据采集系统？你对它们的性能和使用体验有什么看法呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。