Maxim的MAX11254是一款24位ADC，集成了6個差分通道、128x PGA、校準功能和三種時序模式，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的自動化，從而滿足最具挑戰(zhàn)性的傳感器設(shè)計。本應用筆記介紹了三個應用實例，以幫助用戶最大限度地發(fā)揮MAX11254的功能。對于我2C系統(tǒng)中，用MAX11259代替MAX11254。

介紹

隨著物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，傳感器技術(shù)最近在過去幾年中爆炸式增長。 （物聯(lián)網(wǎng)）。彭博社預測，與處理器集成的傳感器市場將達到2.8萬億臺設(shè)備 2019. 傳感器是下一件大事，它們的集成需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 來轉(zhuǎn)換 傳感器輸出為數(shù)字 處理格式。傳感器技術(shù)的改進要求ADC具有更高的功能， 集成了高分辨率、校準功能、嵌入式可編程增益放大器 （PGA） 和多個輸入通道，可實現(xiàn)傳感器接口的單芯片解決方案。

MAX11254/MAX11259為高度集成的ADC，包含6路差分模擬輸入、6通道多路復用器、 一個PGA、一個Δ-Σ調(diào)制器和一個數(shù)字濾波器。為了適應需要多個輸入的應用，提供了三種通道排序模式：

模式 1 禁用時序控制器，僅允許單通道轉(zhuǎn)換，允許以最快的采樣速率連續(xù)采樣。

模式 2 允許以用戶定義的自動序列在每個通道上進行轉(zhuǎn)換。

模式 3 同時自動執(zhí)行用于轉(zhuǎn)換的通道多路復用器和 GPO/GPIO 狀態(tài)。

本應用筆記討論了三種時序模式，以幫助設(shè)計人員最大限度地發(fā)揮MAX11254/MAX11259 ADC的全部功能。對于需要SPI通信的系統(tǒng)，使用MAX11254。對于使用 I 的系統(tǒng)2C 通信時，使用MAX11259。本應用筆記僅舉例說明MAX11254的使用，但MAX11259可以在所有應用中替代。圖1所示為MAX11254的功能框圖。

圖1.MAX11254功能框圖

應用示例1：連續(xù)小信號測量

對于需要連續(xù)采樣的情況，MAX11254可以配置為時序器模式1，該模式 僅支持一個通道的連續(xù)采樣。如果需要單通道ADC，MAX11214具有類似的架構(gòu)，集成PGA和數(shù)字濾波器。

為了演示定序器模式1的連續(xù)采樣能力，本文討論了心電圖（ECG）應用。心電圖是一個應用示例，需要對放置在人體上的一對或幾對差分導聯(lián)線進行連續(xù)采樣。從100μV至2-3mV最大峰值的身體范圍內(nèi)測量的ECG信號使其難以測量。MAX11254的PGA和連續(xù)采樣能力使其成為一個很好的解決方案。對于需要同時采樣多個通道的應用，MAX11040K是另一種選擇。圖2顯示了使用單通道和 MAX11254。

圖2.使用MAX11254的基本ECG原理圖。

MAX11254要求正負基準輸入端具有1.5V的最小差分電壓。 使用最小電壓范圍可產(chǎn)生ADC的最小可檢測電壓階躍。下式將ADC位分辨率與單極性應用中的最小可測量信號相關(guān)聯(lián)。對于雙極性操作， 將所得步長乘以系數(shù) 2。

其中n等于ADC的位分辨率，增益等于內(nèi)部PGA的增益，V等于裁判是施加的基準電壓。最大可測輸入電壓等于基準電壓除以PGA增益。 使用1.5V的最小VREF和128x的最大增益值相當于698.5pV的最小步長和11.7mV的滿量程測量。表1顯示了MAX11254在不同配置下可獲得的最大和最小分辨率?；谶@些設(shè)置，MAX11254可以輕松測量 心電圖信號。

表 1.ADC相對于基準電壓、電壓范圍和PGA增益的階躍分辨率

第二個設(shè)計標準是采樣率。根據(jù)奈奎斯特定理，信號的采樣率必須為 至少是信號最高頻率成分的兩倍，以防止混疊。ECG信號的頻率成分范圍在0到20Hz之間。MAX11254的采樣速率高達64ksps，遠高于要求的40Hz采樣速率。為了確認MAX11254可以分辨ECG信號，使用ECG測量 MAX11254評估板圖3所示為MAX11254EVKIT在1x PGA設(shè)置下記錄的ECG讀數(shù)的典型QRS曲線。連接到右手腕的電極連接到負輸入，連接到左手腕的電極連接到正輸入。圖4顯示了記錄的ECG信號，使用以下命令 128 倍增益。較高的增益設(shè)置使QRS復合體更容易區(qū)分。對于集成ECG模擬前端，MAX30003為單芯片方案，也可檢測心率。

圖3.使用1倍增益的ECG波形。

圖4.使用128倍增益的ECG波形。

設(shè)計人員可能會問：“當MAX11254可以選擇旁路時，使用1倍PGA增益的目的是什么？ 美聯(lián)社？即使不需要增益，利用PGA也會在信號源和 模數(shù)轉(zhuǎn)換器。大多數(shù)ADC要求信號源具有低輸出阻抗。Δ-Σ型ADC通常使用開關(guān) 調(diào)制器之前的電容輸入級。信號發(fā)生器的高輸出阻抗可能會中斷 輸入電容器的充電和放電速率，導致測量錯誤。

在序列器模式 1 中選擇正確的轉(zhuǎn)換方案

序列器模式 1 包含兩種不同的連續(xù)采樣方案以及執(zhí)行 單次轉(zhuǎn)換。這三種模式分為以下主題領(lǐng)域：單周期、單周期連續(xù)和連續(xù)轉(zhuǎn)換。

單周期轉(zhuǎn)換在轉(zhuǎn)換到睡眠模式之前在指定通道上執(zhí)行一次轉(zhuǎn)換。 單周期連續(xù)和連續(xù)轉(zhuǎn)換模式相似，但可用采樣率不同。 單周期和單周期連續(xù)都允許采樣率在50sps和12.8ksps之間;連續(xù)的 轉(zhuǎn)換允許 1.9SPS 和 64ksps 之間的采樣率。連續(xù)轉(zhuǎn)換模式可任意選擇 演示心電圖應用;單周期連續(xù)轉(zhuǎn)換也同樣有效。使用連續(xù)轉(zhuǎn)換模式有一個缺點：延遲。延遲是發(fā)出命令以將設(shè)備置于連續(xù)轉(zhuǎn)換后第一次轉(zhuǎn)換的啟動延遲。延遲是從發(fā)出命令后的芯片選擇位的上升沿到數(shù)據(jù)就緒位的下降沿測量的，表示有新的轉(zhuǎn)換可用。延遲持續(xù)時間取決于采樣率，如表2所示。表 2 包含兩個延遲因子列。第一個延遲因子列將啟動延遲與標稱采樣率進行比較;第二個延遲因子列將啟動延遲與后續(xù)轉(zhuǎn)換的測量采樣率相關(guān)聯(lián)。

表 2.連續(xù)模式采樣率的延遲系數(shù)

自校準程序

校準是任何測量系統(tǒng)中的重要步驟，可分為兩種校準類型： 自校準和系統(tǒng)校準。自校準特定于ADC的調(diào)制器，可確保施加到調(diào)制器輸入的電壓相對于所選基準電壓正確縮放。自校準排除了調(diào)制器外部的所有內(nèi)容，包括集成電路內(nèi)部的其他功能塊 （IC）等PGA。系統(tǒng)校準包括調(diào)制器周圍的外部模塊，并確保施加到IC引腳的電壓相對于基準電壓正確縮放。必須在系統(tǒng)校準之前進行自校準。

在進行測量之前運行自校準程序可確保準確的測量。應在每個系統(tǒng)架構(gòu)中實現(xiàn)自校準;如果沒有自校準，測量可能會包含誤差 超過 400 mV。自校準實現(xiàn)兩個獨立的校準：失調(diào)和增益校準。這是 通過零刻度和滿量程讀數(shù)完成。零電平測量使調(diào)制器輸入短路 一起在內(nèi)部啟動轉(zhuǎn)換。處理結(jié)果會產(chǎn)生自校準偏移 系數(shù) （SCOC），保存到 SCOC 寄存器中。校準的第二階段連接 在內(nèi)部將基準電壓輸入到調(diào)制器輸入端，啟動轉(zhuǎn)換，將測量處理到 生成自校準增益系數(shù)，并將該值保存到自校準增益系數(shù)中 （SCGC）注冊。

應用校準系數(shù)

自校準完成后，必須先啟用校準系數(shù)，然后才能自動啟用 應用于測量結(jié)果。每個校準系數(shù)有兩個內(nèi)部寄存器：一個內(nèi)部 寄存器，用于存儲硬件校準產(chǎn)生的校準系數(shù)，以及SPI可寫寄存器 用戶可以修改。兩個不同的寄存器允許在用戶編程和 硬件生成的校準系數(shù)。如果用戶希望為每個單獨的校準系數(shù) 通道，用戶可以對每個通道進行校準，然后將這些值保存到微控制器。 在給定通道上執(zhí)行轉(zhuǎn)換時，用戶可以編輯具有所需 開始轉(zhuǎn)換前的校準系數(shù)。這種類型的校準方案僅在以下情況下可用 音序器模式 1.

寄存器 CTRL3 中的最低有效字節(jié)控制校準系數(shù)的實現(xiàn)。無論是 用戶編程和硬件生成的校準寄存器使用相同的地址。CTRL3 控件中的位 CALREGSEL 在轉(zhuǎn)換中實現(xiàn)的校準寄存器。用戶編程和硬件生成的校準 系數(shù)可以通過發(fā)出系統(tǒng)偏移系數(shù)（SOC）的讀取命令隨時讀取，系統(tǒng) 增益系數(shù) （SGC）、SCOC 和 SCGC 寄存器，同時適當選擇 CALREGSEL 的值。 值為 1 的 CALREGSEL 返回用戶編程的值，而值為 0 的返回硬件生成的值 值。

應用校準系數(shù)會消耗時間，從而降低采樣率;執(zhí)行的校準越多， 采樣率越慢。表3記錄了單周期和單周期的測量轉(zhuǎn)換時間 序列器模式 1 中的連續(xù)模式相對于三種校準方案。表4記錄了測量值 序列器模式 1 中連續(xù)模式相對于三種校準方案的轉(zhuǎn)換時間。連續(xù) 在轉(zhuǎn)換模式下，ADC始終實現(xiàn)高于標稱采樣率的采樣率 校準方案。應該注意的是，在所有轉(zhuǎn)換期間，轉(zhuǎn)換時間存在一些變化。 表中的值應被視為標稱值，用戶應預期一些變化。

表 3.不同校準的單周期和單周期連續(xù)采樣的測量轉(zhuǎn)換時間 實現(xiàn)

表 4.針對不同校準實施的連續(xù)采樣的測量轉(zhuǎn)換時間

應用示例2：多通道測量

壓力傳感器和應變片通常用于電子秤，根據(jù) 在秤的感應范圍內(nèi)。例如，測量體重的消費秤不會提供相同的 分辨率作為測量用于反應的化學物質(zhì)質(zhì)量的科學尺度。化工原料 拋光（CMP）是另一種需要非常精確地測量施加到晶圓的壓力的應用 在拋光過程中。無論何種應用，壓力傳感器都圍繞以下基本原理展開： 將機械能轉(zhuǎn)化為電能。

制作秤有幾種可能的配置;所示示例使用四個負載傳感器進行轉(zhuǎn)換 機械應變成電信號。負載傳感器的典型設(shè)計使用惠斯通電橋配置 包含兩個由壓電材料制成的電阻器和兩個標準電阻器。兩個并行 電阻網(wǎng)絡(luò)由中心形成差分電壓形成。一個壓阻電阻器在 每個平行字符串的方向相反。施加的壓力在 兩個并聯(lián)電阻網(wǎng)絡(luò)的兩個中心點。差分電壓由ADC和 處理以計算施加到傳感器的壓力。圖5所示為MAXREFDES82#的框圖，MAXREFDES82#是集成MAX11254 ADC構(gòu)建智能力傳感器的參考設(shè)計。

圖5.MAXREFDES82# 框圖。

MAXREFDES82# 使用時序控制器模式 2 喚醒，循環(huán)切換四個模擬輸入，然后重新進入睡眠模式。 使用四個負載傳感器可以估計所施加力的質(zhì)心和位置。

MAX11254包括多個GPIO引腳，具有多種用途，包括器件同步、外部 時鐘輸入或數(shù)字輸出。序列器模式 1 和 2 要求用戶手動控制 GPO/GPIO 引腳使用 GPO_DIR 和 GPIO_CTRL 寄存器，而序列器模式 3 可以自動控制 GPO/GPIO 引腳。GPO 引腳是將其輸入連接到 GPOGND 引腳的模擬開關(guān)。 這允許用戶在不需要傳感器時斷開傳感器接地路徑，從而節(jié)省電源 三種排序模式中的任何一種。

應用示例3：電源效率

為了獲得最節(jié)能的系統(tǒng)，可以將系統(tǒng)設(shè)置為自動喚醒，使能傳感器， 執(zhí)行信號轉(zhuǎn)換，然后禁用傳感器并返回睡眠狀態(tài)。這一切都可以完成 使用音序器模式 3。通過使用GPIO引腳作為數(shù)字輸出，它們可用于控制傳感器本身 或為傳感器供電的設(shè)備，例如 LDO?；蛘?，可以連接傳感器接地回路節(jié)點 到 GPO 引腳，以便用戶可以在不需要傳感器時“斷開”電路路徑。圖 6 強調(diào) 連接到GPO引腳的兩個惠斯通電橋接地節(jié)點的連接。

圖6.電路示例為惠斯通電橋接地節(jié)點連接到MAX11254的GPO引腳。

打開和關(guān)閉傳感器的一個問題是，傳感器在 該通道的測量值。MAX11254具有延遲寄存器，允許轉(zhuǎn)換延遲 以及 GPO/GPIO 的延遲，以便遵守適當?shù)臅r間限制。通過使用 GPO/GPIO 引腳 實際上，系統(tǒng)可以更高效地運行。

結(jié)論

MAX11254為高度集成的ADC，具有豐富的功能，幾乎適用于任何應用。 24 位分辨率和 PGA 允許測量從 pV 到 V 的信號。三種排序模式提供 通道轉(zhuǎn)換時序具有高度靈活性，可通過限制處理器干預來節(jié)省系統(tǒng)功耗。 校準方案可確?？煽亢鸵恢碌臏y量，并且 GPO/GPIO 功能可用于 創(chuàng)建更智能、更節(jié)能的傳感器系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷