系统要求    

       对于基本系统,其要求是按照性能和成本的比较逐一确定的。系统必须是16位以上,能处理2.5V的差分输入,而且在没有单5VDC电源的情况下也能工作,成本必须控制在10美元以内。性能和成本的要求往往是矛盾的,但只要稍微发挥一点创造力就可满足其要求,甚至做得更好：即在不增加最终材料成本的基础上把决策功能集成进传感器电路中。通过对测量值和预定范围内的值进行比较,并标识出超出范围的状态,就可以增加这项复杂的功能。

       这类数据采集(DA)系统的基本构建模块是模拟转换和处理功能。该系统的最简单形式包括：一个ADC处理传感器输入转换,一个微控制器处理数据。现今的ADC和微控制器性能比以前已有极大的改进。这些改进使得上述系统的集成得以实现,但也付出了代价,因为在提高性能的同时也增加了集成这两种功能的复杂程度。只有开发出真正集成的单芯片系统方案,这一问题才能解决。本文所阐述的就是一个低成本、高性能的DA系统,它能充分利用每个器件的特性。

       灵活的器件特性

       系统的核心是一个ADC,即Burr-Brown的24位Δ-Σ转换器ADS1212,以及Microchip Technology的微控制器PIC16C54C。

       Δ-Σ ADC可提供很多传感器应用所需的高分辨率和良好线性度。有效分辨率可以直接从转换器的输出数据测出,以位数的均方根值表示。如果噪声为白电平,须从有效值中减去2.7位以便转换成峰-峰值或无波动位值。

       为达到最佳分辨率,器件应该以最高器件频率和最低数据输出率工作。器件频率和加速模式速率(turbo mode rate)控制着调制器采样频率(加速模式可设定调制器频率）。抽样(decimation)率可控制数据输出率。如果转换器工作在2.5MHz,加速模式为16,数据输出率为100Hz,则有效分辨率约为22有效位,转换成无波动位值约为19.3位。如果器件频率降到1MHz,加速模式为16,数据输出率为100Hz,则分辨率下降到21有效位,无波动位值约为18.3位。事实上,在低频率下工作会更好一些,这样可以降低系统功耗和开关噪声。

       具有了这种灵活性,就可以确定能满足系统要求的器件频率。同时,为了提高或降低有效分辨率,还可以通过软件在数据输出率和加速模式速率间进行折衷。另外,ADS1212可进行内部自校准以消除元件引入的误差,从而提高了有效分辨率。利用系统校准可修正系统偏移和增益误差。

       其它要求    

       对2.5V的差分输入信号,要求4阶增益,因此须用到板上可编程增益放大器(PGA)。应当注意加速模式速率和PGA的乘积不得超过16。在这种场合下,将PGA限定为4,加速模式速率也限定为4。ADS1212中的数字滤波器是一个sinc▲3▲低通滤波器,其-3dB截止频率等于0.262×数据速率。因为输入信号是DC信号,所以信号的频率响应下降不是问题。可以在输入端加一个反偏(anti-aliasing)低通滤波器以隔离ADC和缓冲器。

       转换器的输入阻抗决定于PGA、加速模式数和器件频率,并由下式给出：

       AIN=[（1MHz/F▼XIN▼）*20▲6▲/(PGA*TMR)] (1)

       其中：TMR=加速模式速率

       因此,输入阻抗为1.2MΩ,这对大多数传感器应用已经足够。

       器件内部参考可提供约20有效位,所以内部参考电压可以满足系统的要求。

       进一步规范了模拟要求之后,现在来看看模拟部分和数字部分是怎样结合在一起的。在这一方面微控制器的几个重要特性起了重要作用。

       器件运行时功耗很小,通常工作电流小于2mA。为进一步降低功耗,微控制器和ADC都带有休眠模式(sleep mode)。在极低功耗的应用中,转换器甚至可通过微控制器的I/O引脚供电。比如,微控制器可以停止给转换器供电并进入休眠状态。因此唯一的电流就是微控制器的待机(standby)电流,从而降低了功耗且延长了电池寿命。

       微控制器所需的时钟可以从一个简单的RC电路获取。这个时钟在CLKOUT引脚输出,可以用来驱动转换器的XIN。这样不仅节省了两个单独的晶振,而且保证了微控制器与时钟同步。但有一点需特别注意,如果用简单的RC电路来做系统时钟,那么其频率将随电压和温度的改变而变化。这不算什么问题,除非需要滤除工频干扰,况且也可以用ADS1212的关键特性之一加以解决。

       转换器中的数字滤波器可根据Δ-Σ调制器的最近结果来计算输出值。所用的调制器结果数取决于指令寄存器中抽样率的设置。