MCP3550/1/3 低功耗、单通道22位Delta - Sigma ADC性能22 位高精度 ADC采用紧凑型 8 引脚 MSOP 封装并集成自动内部零点偏移和增益校准功能。低输出噪声为2.5μVRMS有效分辨率为21.9位( Mcp3550/1 )。3 μ V的典型零点偏移误差。2 ppm的典型满量程误差。6 ppm的最大INL误差。未调整总误差小于10 ppm。无数字滤波调节时间通过3 - Wire SPI接口进行单命令转换。超低转换电流( Mcp3550/1 )100 μA( VDD 2.7V) | 120 μA (VDD 5.0V)差分输入采用Vss到Vdd共模范围。2.7V ~ 5.5V单电源运行。温度范围- 40℃~ 125℃。应用电子秤 / 称重系统直接温度测量6 位数字万用表DVM仪器仪表数据采集应变计测量功能框图整体描述美国微芯科技公司 MCP3550/1/3 器件为2.7V ~ 5.5V低功耗、22位Delta - Sigma模数转换器( Analog-to-Digital ConverterADC )。器件的输出噪声低至2.5μVRMS总未校正误差为10ppm。该系列具有 6ppm 的积分非线性( INL )误差、3μV的失调误差和小于2ppm的满量程误差。MCP3550/1/3器件为传感器测量(如压力、温度、湿度等)的应用提供了高精度和低噪声性能。由于内部振荡器和高过采样率高精度应用所需的外部元件最少。该产品线具有全差分模拟量输入可兼容多种传感器、工业控制或过程控制应用。MCP3550/1/3器件的工作温度范围为- 40 ° C ~ 125 ° C可用于节省空间的8引脚MSOP和SOIC封装。封装类型1. 引脚描述1.1 参考电压VREFMCP3550/1/3器件接受的单端参考电压为0.1V ~ VDD。由于变换器输出噪声以热噪声为主与参考电压无关因此通过减小VREF输入引脚处的参考电压输出噪声并没有得到明显改善。减小基准电压将显著提高的INL性能INL的最大误差与VREF2成正比。1.2 模拟输入VIN, VIN-MCP3550/1/3器件接受一个全差分模拟输入电压连接在VIN 和VIN -输入引脚上。转换后的差分电压定义为VIN VIN - VIN -。为保证精度所规定的差分电压范围为- VREF到 VREF但在室温条件下当输入电压范围超过12 % 时转换器仍能输出有效可用的编码。这个超量程是由输出码中的两个过载位来明确指定的。这些输入引脚上的绝对电压范围从VSS - 0.3V 至 VDD 0.3V。任何高于或低于这个范围的电压都会通过静电放电( ESD )二极管产生泄漏电流。这种电流会成倍增加降低器件的精度和噪声性能。应选择模拟输入的公共模式使差分模拟输入范围和每个引脚上的绝对电压范围都在第定义的特定工作范围内。1.3 供电电压VDD, VSSVDD是MCP3550/1/3内部模拟和数字电路的供电引脚。该引脚需要合适的旁路电容为 0.1 μ F。该引脚上的电压应保持在 2.7V ~ 5.5V 范围内进行指定操作。VSS为MCP3550/1/3的模拟和数字电路的接地引脚和电流返回通路。如果有模拟地平面可用建议将该设备绑定在印刷电路板的模拟地平面上。1.4 串口时钟SCKSCK同步与设备进行数据通信。该装置同时工作在SPI模式1、1和SPI模式0、0。数据从SCK下降沿的器件中转移出来。数据被锁定在SCK的上升沿。在CS较高时SCK管脚处于空闲状态电平可以是高也可以是低。1.5 数据输出SDO/RDYSDO / RDY为器件的输出数据引脚。一旦转换完成该引脚将进入active - low充当就绪标志。随后的下降时钟边沿将通过SDO引脚将24位数据字两个溢出位和22位数据放置在SPI总线上。数据是在SCK的下降沿钟摆出来的。1.6 片选CSCS将所有通信门控到设备可用于选择共享相同SCK和SDO / RDY引脚的多个设备。该引脚还用于控制CS下降沿开始的内部转换。在第一次内转换完成前提高CS使器件处于单转换模式。离开CS低将使设备处于连续转换模式(也就是说,额外的内部转换会自动发生)。对于两线制连续转换工作模式CS可能被永久绑定在较低的水平。SDO / RDY在CS较高时进入高阻态。2. 设备概览MCP3550/1/3器件为22位delta - sigma ADC包括全差分模拟输入、三阶delta - sigma调制器、四阶改进型SINC抽取滤波器、片上低噪声内部振荡器、电源监控电路和SPI三线制数字接口。这些器件可以很容易地用于测量低频、低电平信号如压力传感器、温度、应变片、工业控制或过程控制应用中的信号。该产品族的供电范围为2.7V ~ 5.5V温度范围为- 40°C到 125°C。MCP3550/1/ 3器件的功能框图如图4 - 1所示。为了保证转换过程中合适的电源电压还包括上电复位( Power On ResetPOR )监测电路。该部分的时钟源在全电源电压范围和工业温度范围内内部产生为± 0.5 %。这种稳定的时钟源可实现优异的转换重复性和最小的转换漂移。MCP3550/1/3器件采用delta - sigma转换技术实现了高达22位的无漏码性能码长为21.9有效位数( ENOB )。这些器件提供了单周期转换没有数字滤波建立时间。每一次转换都包含一次内部零点漂移和增益自动校准以减小器件误差。这些校准对用户是透明的并且在转换过程中实时完成。因此这些设备不需要任何额外的时间或转换来进行从而可以很容易地使用这些设备进行多路应用。MCP3550/1/3器件集成了一个四阶数字抽取滤波器以允许优越的平均性能以及出色的线频抑制能力。 过采样频率也降低了任何外部抗混叠滤波器的要求。MCP3550/1/3器件通过简单的3线SPI接口进行通信。该接口控制转换启动事件通过将CS引脚绑定到logic - low增加了系统上电时自动转换的功能。该装置可以在50 pF的电容负载下以高达5 MHz的总线速度进行通信。该接口提供两种转换模式用于多路应用的单次转换模式和用于多次串联转换的连续转换模式。每一次转换都是相互独立的。也就是说所有的内部寄存器在转换之间被刷新。当器件未转换时自动进入关断模式在关断模式下器件功耗小于1 μ A。2.1 MCP3550/1/3 内置零点偏移和增益校准的 Δ-Σ 调制器MCP3550/1/3器件的转换器核心是一个具有自动增益和零点偏移误差校准的三阶delta - sigma调制器。调制器采用1 - bit DAC结构。Delta - sigma调制器通过一个极低漂移振荡器控制的开关电容结构来处理采样电荷以减小时钟抖动。在转换过程中调制器输出与fOSC / 4 (见表4 - 1)频率相当的比特流。调制器中实现的高过采样保证了非常高的分辨率和高的平均因子以达到低噪声的指标。然后通过数字抽取滤波器对调制器的比特流输出进行处理以提供一个22位的输出码数据速率为12.5 HzMCP3550 - 5015 HzMCP3550 - 6013.75 Hz ( MCP3551和60 Hz ( MCP3553 )。由于MCP3553器件的过采样率更低在实现20位无丢失码NMC和20.6位 ENOB 的同时获得了更高的输出数据速率。在每次转换开始时会发生零点偏移和增益的自校准。设备输出端可用的转换数据总是通过这个过程进行零点偏移和增益的校准。这种零点偏移和增益自动校准是在内部进行的由于在转换过程中实时校准了零点偏移量和增益误差因此对变换器的速度没有影响。实时零点偏移和增益校准方案不影响转换过程。2.2 数字滤波MCP3550/1/3器件包括一个数字抽取滤波器该数字抽取滤波器是一个四阶修正的SINC滤波器。该滤波器对来自调制器的输入比特流进行平均输出一个22位二进制补码转换字。当所有位都经过滤波器处理后输出码准备进行SPI通信在SDO / RDY引脚上设置RDY标志位并重置所有内部寄存器以便进行下一次转换。与常用的SINC滤波器一样MCP3550/1/3系列中的改进型SINC滤波器的主陷波频率位于fS / ( OSR * L )其中fS为比特流采样频率OSR是过采样率L是滤波器的阶数。MCP3550 - 50器件的主滤波陷波位于50 Hz。对于MCP3550 - 60器件陷波点位于60 Hz。MCP3551器件的陷波点位于55 HzMCP3553器件的主陷波点位于240 HzOSR为128。为了在其传递函数中提供交错零点对数字抽取SINC滤波器进行了修改。这种修改意在加宽主陷以降低对振荡器偏差或线频漂的敏感性。MCP3551滤波器具有交错的零点扩展以同时抑制50 Hz和60 Hz的线频率。2.3 内部振荡器MCP3550/1/3器件包括一个高稳定和高精度的内部振荡器它以最小的抖动为delta - sigma ADC提供时钟信号。振荡器是一种专门的结构在整个指定的工作范围内具有较低的温度系数。振荡器频率见表4 - 1。转换时间是内部时钟周期的整数倍因此其精度与内部时钟频率的精度相同。对于不同器件其内部振荡器频率如下MCP3550-50102.4 kHz ±1%MCP3551112.64 kHz ±1%MCP3550-60 和 MCP3553122.88 kHz ±1%。上述指标适用于整个电源电压范围以及规定的温度范围内。数字滤波器的陷波与内部振荡器频率成正比精确的陷波频率相当于振荡器精度( 1 %偏差)。这种高精度与宽陷相结合可以保证MCP3551同时具有50 Hz和60 Hz的线频抑制度MCP3550 - 50或MCP3550 - 60器件经数字滤波后即使存在抖动也具有大于120 dB的(在50或60Hz频率下)抑制度。当部件处于关机模式时内部振荡器保持在复位状态以保证极低的功耗(在Shutdown模式下 1 μ A)。内部振荡器独立于所有串行数字接口边沿(也就是说,处理数字SPI接口的状态机相对于内部时钟边是异步的)。2.4 差分模拟输入MCP3550/1/3器件接受全差分模拟输入电压以连接到VIN 和VIN -输入引脚。转换后的差分电压定义为VIN VIN - VIN -。为保证精度所规定的差分电压范围为- VREF ~ VREF。该转换器在室温下可输出有效可用码输出范围为- 112 % ~ 112 %。± 12 %的超量程由输出码中的2个过载位OVH和OVL明确规定。该特性允许系统校准一个正的增益误差。这些输入引脚上的绝对电压范围为VSS - 0.3V 至 VDD 0.3V。当输入电压高于或低于此范围时ESD二极管的漏电流将成倍增加从而降低转换器的精度和噪声性能。应选择模拟输入的共模方式使差分模拟输入范围和各引脚上的绝对电压范围均在规定的工作范围内。模拟差分输入和参考输入都具有开关电容输入结构。输入电容与输入和参考交替进行充电和放电以便进行转换。输入电容的充电和放电在VIN 和VIN -输入引脚处产生与采样电容成反比的动态输入电流。该电流是差分输入电压和它们各自的共模电压的函数。差分输入阻抗的典型值为2.4 MΩVCM 2.5VVDD Vref 5V。ESD输入二极管引起的直流泄漏电流即使在1 n A量级也会在VIN 和VIN -输入引脚处引起与源电阻成比例的额外零点偏置误差。从瞬态响应的角度作为一阶近似这些输入结构形成了一个简单的RC滤波电路其源阻抗与输入开关和采样电容的RON (关闭时切换电阻)串联。为了保证采样电荷的准确性需要考虑适当的输入电路建立时间。输入电路的慢速调整会产生额外的增益误差。通常情况下为了获得1 ppm的绝对测量精度采样周期必须大于输入电路RC时间常数的14倍。2.5 参考电压输入MCP3550/1/3器件接受单端外部参考电压连接在VREF输入引脚上。在内部ADC的参考电压为差分电压非反相输入端接VREF引脚反相输入端接VSS引脚。参考电压值为VREF - VSS参考共模始终为( VREF - VSS) / 2。MCP3550/1/3器件接受的单端参考电压为0.1V ~ VDD。变换器输出噪声以与参考电压无关的热噪声为主。因此通过降低VREF输入引脚处的参考电压输出噪声并没有得到明显改善。然而由于INL的最大误差与VREF2成正比因此降低参考电压将显著改善INL性能。输入电容的充放电在VREF输入引脚处产生与采样电容成反比的动态输入电流该电流是输入参考电压的函数。单端输入阻抗典型值为2.4MΩVDD VREF 5V。ESD输入二极管引起的直流泄漏电流虽然通常在1 nA量级但会在VREF管脚处引起与源极电阻成比例的额外增益误差。2.6 上电复位MCP3550/1/3 内置上电复位POR电路用于在器件工作期间监测电源电压 VDD。该电路可确保器件在系统上电及掉电过程中正确启动。POR 电路内部具有迟滞和定时功能可有效抵抗电源中的潜在纹波与噪声并确保上电期间电源有充分时间达到稳定状态。建议在尽可能靠近VDD引脚的位置安装 0.1 μF 去耦电容以增强对瞬态干扰的抑制能力。阈值电压设置为2.2V容忍度约为± 5 %。如果电源电压低于这个阈值MCP3550/1/3器件将保持在复位状态或关闭模式。当部分处于关断模式时功耗小于1 μ A。为了防止节电或电源出现其他毛刺时复位典型的迟滞值在200 mV左右。一旦发生上电事件设备必须需要额外的时间才能进行转换。在这段时间内所有的内部模拟电路都必须在第一次转换发生之前完成。内部定时器在内部振荡器之前计数32个内部时钟周期可以为转换过程提供时钟。这使得所有内部模拟电路都能稳定在其合适的工作点。该时序通常小于300 μs与一次转换时间72.7ms - MCP3551相比可以忽略不计。图4 - 6说明了典型启动条件下上电和下电事件发生的条件。2.7 关机模式当不进行内部转换时MCP3550/1/3器件的两种工作模式分别为Shutdown和Sleep模式。在关断模式下包括POR在内的所有内部模拟电路都被关断器件消耗小于1 μ A。当退出Shutdown模式时设备必须需要额外的时间才能进行转换。在这段时间内所有的内部模拟电路都必须在第一次转换发生之前完成。一个内部定时器在内部振荡器之前计数32个内部时钟周期可以为转换过程提供时钟。这使得所有内部模拟电路都能稳定在其合适的工作点。该时序通常小于300 μ s与1个转换时间72.7ms - MCP3551相比可以忽略不计。2.8 休眠模式在Sleep模式下设备不进行转换等待数据检索内部模拟电路仍在运行器件通常消耗10 μA。为了在Sleep模式下重新启动转换将CS切换到一个逻辑高的(将零件放置在Shutdown模式下)然后再回到一个逻辑低的(将零件放置在Shutdown模式下)重新启动转换。睡眠只能进入单转换模式。在单转换模式下完成一次转换后设备自动进入睡眠模式。3. 串行接口3.1 概览单片机与MCP3550/1/3器件之间的串行通信采用CS、SCK和SDO/RDY三种方式实现有两种工作模式单次转换和连续转换。CS控制着转换的开始。数据字共有24位转换数据22位溢出数据2位。转换过程通过内部振荡器发生并且必须检测这种转换的状态。典型的通信方式如图5 - 1所示。内部转换的状态是SDO/RDY引脚可用CS LOW。SDO/RDY上的High状态表示设备正在忙于转换Low状态表示转换完成数据准备使用SCK进行传输。当CS保持较高时SDO/RDY保持在高阻抗状态。 使用SCK和SDO/RDY对数据进行编钟时CS必须较低。当VIN VREF - 1LSB时位22为溢出高( OVH )OVH切换到逻辑 1 检测模拟输入电压中的溢出高。当VIN - VREF时23位为溢出低电平( OVL )OVL切换到逻辑’ 1 检测到模拟输入电压中的溢出低电平。状态OVH OVL ’ 1 ‘没有定义应该被认为是SPI接口的中断意味着错误的通信。位21到位0表示22位二进制二进制补码中的输出码。比特21是符号位当差分模拟输入为正时为逻辑’ 0 ‘当差分模拟输入为负时为逻辑’ 1 ‘。从Bit 20到bit 0输出码先被赋予MSB ( MSB为20位, LSB为0位)。当模拟输入值介于- VREF和VREF - 1LSB之间时将两个溢出位设置为逻辑’ 0 。输入电压与输出码之间的关系如图5 - 1所示。对于差分模拟输入Δ-Σ 调制器的饱和点大约位于 VREF的 ±112%室温条件下。这意味着即使输入电压相对于参考电压存在约 ±12% 的过量程overrange调制器仍然能够输出准确的数字码。与通常的 22 位器件不同本器件的 22 位输出码在正输入时不会锁定在 0x1FFFFF在负输入时也不会锁定在 0x200000。这样就可以充分利用器件的过量程能力。这一特性在闭环应用中可能非常实用。例如当发生溢出时输出码会变成一个 23 位二进制补码two’s complement 输出其中符号位由 OVL 位承担。如果检测到过量程高电平或低电平OVLbit 23 将成为符号位而不是 bit 21。此时MSB 变为 bit 21转换器可作为一个 23 位二进制补码转换器使用输出码由 B21 到 B0再加上作为符号位的 OVL 组成。图 5-1 总结了在有过量程和无过量程情况下的输出编码数据格式。3.2 控制内部转换和内部振荡器在关机模式下在CS的下降沿转换过程开始。在此过程中内部振荡器对delta - sigma调制器和SINC滤波器进行时钟直到完成一次转换。该转换时间为tCONV时序如图5 - 2所示。tCONV结束时数字滤波器已经完全固定MCP3550/1/3的数字SINC滤波器不存在延迟。MCP3550/1/3器件的两种转换模式为单次转换和连续转换。在单次转换模式下连续的转换不会自动开始。取而代之的是在单次转换完成且SINC滤波器已定型后设备将数据放入输出寄存器并进入关机。在连续转换模式下一个连续的转换将是自动的。在这种模式下设备不断转换独立于串行接口。最新的转换数据将始终在输出寄存器中可用。当设备退出Shutdown时必须观察到内部的上电延迟。3.3 单次转换模式如果在转换时间 tCONV 期间片选信号 CS 出现上升沿则下一次转换将不会启动并且器件会在当前 tCONV 转换完成后进入低功耗关断Shutdown模式。此工作方式称为“单次转换模式Single Conversion mode”。图 5-2 给出了该工作过程的示例。需要注意的是如果在检测到 CS 上升沿的同一次转换期间CS 又出现下降沿如图 5-2 所示该下降沿不会启动一次新的转换。转换得到的数据必须在 Sleep休眠模式期间读取此时 CSN 应保持低电平。一旦器件进入 Shutdown关断模式即 CSN 出现上升沿尚未读取的数据就会丢失。当第 25 个时钟把最后一个数据位移出之后SDO/RDY 引脚将变为高电平有效active-high状态。3.3.1 SDO/RDY管脚的就绪功能单转换模式。在内部转换过程中的每一个CS下降沿将内部转换的状态锁存在SDO/RDY引脚上以给出准备或忙碌的信息。High状态是指设备当前正在进行内部转换数据无法被打出时钟。Low状态表示设备已经完成转换数据已准备好在SCK的下降沿进行检索。该操作如图5 - 4所示。值得注意的是该器件已经投入Single Conversion模式具有第一个CS上升沿。3.4 连续转换模式如果在每个图5 - 3给定的转换过程中没有CS的上升沿出现那么后续的转换将发生并且前一个转换的内容将被覆盖。该操作如图5 - 5所示。一旦转换输出数据开始被时钟取出输出缓冲器就不会被刷新直到所有24位被时钟取出。为了在该模式下读取下一次转换必须发生一次完整的读取。随后需要读取的转换数据即为最近一次转换。转换时间是固定的不能通过CS的上升沿来缩短转换时间。该上升沿将使该部分处于关机模式所有转换数据将丢失。数据从SINC滤波器到输出缓冲器的传输如图5 - 5所示。如果之前的转换数据没有被时钟出设备就会丢失并被新的转换所取代。当设备处于连续转换模式时最新的转换数据始终存在于输出寄存器中进行数据检索。如果一个转换正在进行它不能随着CS的上升沿而终止。SDO / RDY必须首先过渡到Low状态这将预示着转换的结束。3.4.1 SDO/RDY管脚的就绪功能在连续转换模式下如果在转换时间 tCONV 期间没有检测到片选信号 CS 的上升沿则器件将进入连续转换模式Continuous Conversion mode并连续进行后续转换。在转换进行期间SDO/RDY 引脚保持高电平表示当前正在执行转换。当一次转换完成后SDO/RDY 会变为低电平。第一次转换完成后当 SDO/RDY 处于低电平时可以通过 SCK 和 SDO/RDY 的配合读取转换数据。如果在数据正在被时钟移出的过程中恰好又发生了新的“数据就绪Data Ready”事件那么该数据就绪状态会被推迟到当前完整的 24 位数据传输结束之后再体现。也就是说新的数据就绪事件不会中断当前正在进行的数据传输。如果需要读取本次转换产生的完整 24 位数据则必须在本次通信过程中将其全部读取完毕。可以通过将 CS 拉高来提前终止数据传输但此时尚未传输的数据将会丢失ADC 将进入 Shutdown关断模式。当转换器已经将24位数据全部发送完成后SDO/RDY 引脚仍会保持最后一个最低有效位LSB的电平状态直到 SCK 出现第 25 个下降沿。在第25个 SCK 下降沿到来时SDO/RDY 引脚退出数据输出Data Acquisition状态并重新切换为 RDY数据就绪状态。3.4.2 2线连续转换作业仅用两根线就可以与MCP3550/1/3器件进行通信。在这种状态下器件始终处于连续转换模式内部转换不断发生。这种模式可以通过在上电期间保持CS低或在上电后将其改为低位置来进入。如果在上电时CS较低则在电源稳定后约300 μ s启动转换器的第一次转换。3.5 Mcp3550/1/3与单片机的SPI通讯需要将微控制器SPI端口配置为在时钟下降沿对数据进行时钟输出在上升沿对数据进行锁存。图5 - 6描述了SPI模式11中的操作这要求MCU的SCK处于High状态而图5 - 7显示了SPI模式00的类似情况其中时钟处于Low状态。图中的波形是MCU以8位模式操作SPI端口的例子MCP3550/1/3器件不需要8位组的数据。在SPI模式11中数据读取仅使用24个时钟或3个字节传输。数据就绪位必须在时钟下降沿之前通过测试SDO / RDY线读取。在SPI模式00下使用25个时钟或4个字节传输读取数据。请注意该模式下数据就绪位作为第一位包含在传输中。