Delta-Sigma A/D轉換器

雙斜率 (Dual-Slope)A/D轉換器

連續漸進暫存器 (SAR) A/D轉換器

BCD輸出A/D轉換器

二進制輸出A/D轉換器

顯示器驅動A/D轉換器

MCP3421MCP3422MCP3423MCP3424MCP3425

MCP3426MCP3427MCP3428MCP3550MCP3551MCP3553

TC500ATC7109ATC510TC514

MCP300XMCP3021MCP320XMCP3221MCP330X

TC14433A TC850 TC7106ATC7116ATC7117ATC7126ATC7129

www.microchip.com/analog

類比及介面產品解決方案

類比數位轉換器設計指南高效能的獨立A/D轉換器，適用於多種嵌入式系統應用

本指南中的設計概念都是以許多Microchip的ADC產品為基礎。您可 在www.microchip.com 中找到完整的產品清單與對應的資料手冊。

2 ADC轉換器設計指南

連續漸進暫存器 (SAR) 轉換器通常的準確度範圍為8至16-bit，而Delta-Sigma轉換器 (ΔΣ) 的準確度卻可高達24-bit。如果應用中會處理較多交流訊號，可以透過快速傅利葉轉換 (FFT) 來觀察頻域的效能，例如以下的信號雜訊比 (SNR)。

如果應用多為直流訊號，則最佳解析度是以微伏特為單位的輸出雜訊有效值 (RMS) (可測量到的最小訊號) 與元件的滿刻度輸入範圍 (FSR) 相比較之後的比率。以下方程式說明此關係：

ENOB =

下圖說明不同架構與位元和頻寬之間的關係。

選取正確的ADC

為應用選取最適合的A/D轉換器 (ADC) 之要素不僅僅只是精密度或位元的考量。還要考量不同的AD架構，每種架構在各種資料擷取系統中都有其優點與缺點。根據系統必要的準確度或精密度來選擇需要的位元數。設計系統時，一定要選擇較原先需求更多的位元數：如果應用需要10-bit準確度，請選擇12-bit轉換器。轉換器可達到的準確度一定會少於可用的總位元數。

根據系統需求，以μV (微伏特)、dB (分貝) 或LSb (最小有效位元) 為單位，都可以更清楚地表示準確度。使用快速傅利葉轉換 (FFT) 顯示出元件的頻譜，也有助於判定特定元件的雜訊效能。Microchip許多獨立的ADC都會標示出交流的基本規格，例如THD、SINAD以及SNR。下表說明8至24-bit轉換器的效能，單位以dB與V/V表示。一般來說，如果輸入訊號大小明顯低於ADC的滿刻度輸入範圍，就需要使用放大器。但是，選用較高解析度的ADC，就不需使用放大器。

-140-130-120-110-100-90-80-70-60-50-40-30-20-10

0

0 5000 10000 15000 20000 25000

Frequency (Hz)

Am

plitu

de (

dBF

S)

效能表：8至24-bit轉換器

位元數 2^nLSB

(FS = 1V)解析度

(%)解析度(ppm)

解析度(dB)

8 256 3.91 mV 0.391 3910 48.16

10 1024 977 μV 0.0977 977 60.21

12 4096 244 μV 0.0244 244 72.25

14 16384 61 μV 0.0061 61 84.29

16 65536 15.3 μV 0.00153 15.3 96.33

18 262144 3.81 μV 0.000381 3.81 108.37

20 1048576 954 nV 9.54E-05 0.954 120.41

22 4194304 238 nV 2.38E-05 0.238 132.45

24 16777216 59.5 nV 5.95E-06 0.0595 144.49

Dual Slope

SARFlash

24

20

16

12

10

8

100 1K 10K 100K 1M 10M 100M

Throughput (SPS)

Res

olut

ion

(2N B

its)

ΔΣ

架構與位元和頻寬的關係

選取正確的ADC

In(滿刻度輸入範圍 (FSR)/雜訊有效值 (RMS))In(2)

ADC轉換器設計指南 3

以下方程式是氣壓 (P，單位為帕斯卡) 與海拔高度 (h，單位為公尺) 間關係的一階近似。

log(P) ≈ 5 –

以60 mV作為全功率範圍，2.5 μV作為解析度，直接數位化公尺數的成果解析度為0.64公尺 (約2英呎)。需要注意的是，這只是進行討論時使用的一個例子，在最終系統設計中也必須考慮一階近似中的溫度影響與錯誤。

與傳統連續漸進暫存器 (SAR) 轉換器相較，Delta-Sigma ADC是一個擁有多重優點的超取樣轉換器。高解析度、優異線條頻率排斥、有限的外部元件需求以及低功耗是最重要的優點。Delta-Sigma ADC架構包括兩個主要區塊，Delta-Sigma調變器與數位降頻濾波器。近年來，一個包括串列介面、數位濾波器控制以及供超取樣使用的振盪器的積體電路，使得這兩個區塊更加完善。這使得使用者完全看不到最複雜的Delta-Sigma調變器；而此ADC的操作與控制也類似於其他傳統ADC，讓此元件成為許多應用的簡便解決方案。

三個應用範例

地震紀錄

震動監測應用最多會連接16種不同的元件到中央處理單位。每個元件會以不到100 μS的超高速率測量訊號。大量訊號雖然不要求很高的準確度，但是速度卻非常重要。所以這種應用最好的選擇就是高速的連續漸進暫存器 (SAR) 轉換器。

語音頻帶錄音

人類可以聽見的訊號大約從20 Hz到20 kHz。如果應用屬於不要求高傳真音訊的電話通訊系統，則60-70 dB的動態範圍已經足夠。根據頻寬與動態範圍的需求，在此應用中使用中等速度 (50-200 ksps) 的連續漸進暫存器 (SAR) 轉換器或Delta-Sigma轉換器即可。

高度表觀測

溫度、氣壓、負載或其他物理刺激量的感測器，通常都會採用惠斯登電橋配置。此電橋具備一至四個元件，對物理刺激做出反應，並應在適當時機於比例式配置中使用，且系統參考電壓應同時驅動感測器與ADC參考電壓。例如，GE NovaSensor是一種絕對氣壓感測器，如下所示，是一種四元件可變式電橋。

使用22-bit Delta-Sigma ADC的MCP355X系列進行設計時，一開始的步驟應該是評估感測器效能；接著，若有需求，應判斷該採用哪種步驟，以便在使用MCP355X時能提升整體系統解析度。在許多狀況下，能使用MCP355X元件直接將感測器的感測值數位化輸出，如此就不需使用外部訊號調整電路。

NPP-301元件以3V電池供電時，會有60mV的典型全功率輸出。此元件的氣壓感測範圍是100 kPa。MCP3551的輸出雜訊規格是2.5 μVRMS。

h

15500

3To SPI

Altimeter Watch

5, 6, 7

12

3

4

8

To VDD

0.1 μF 1.0 μF

NPP-301

2

5

6 MCU

Battery+

-

VREF

SCKSDOCS

MCP3551

VSS

VIN+

VIN-

VDD

直接數位化應用範例

選取正確的ADC

InputSignal

Bitstream

Delta-Sigma Converter

OutputCode

N

Analog Digital

Delta-SigmaModulator

DecimationFilter

Delta-Sigma ADC架構

4 ADC轉換器設計指南

顯示系統雜訊與除錯的連線之典型電橋感測器應用

為何不使用連續漸進暫存器 (SAR) A/D轉換器進行超取樣？

答案很簡單：就是雜訊的形成。只用像是在PIC微控制器上找到的快速連續漸進暫存器 (SAR) A/D轉換器進行超取樣，平均後的資料將無法達到Delta-Sigma ADC的解析度效能。超取樣與平均在每增加兩倍的取樣頻率下只會提高0.5位元的準確度。但是，一次Delta-Sigma ADC卻可在每增加兩倍取樣頻率的狀況下降低9 dB (或1.5位元) 的頻帶內雜訊 (in-band noise)，比單純超取樣提高三倍。MCP355X元件使用的三階調變器，可在每增加兩倍取樣頻率的狀況下降低2.5位元的頻帶內雜訊。這樣的設計就可達成2.5 μVRMS的元件解析度，或是21.9位元的有效解析度。

使用DataView™軟體進行系統除錯

這些元件的LSB大小低於雜訊電壓，是任何高解析度ADC的典型現象。無法只憑二進制輸出來分析元件的輸出。必須收集資料並對結果進行視覺化分析，而且在設計電路時，務必提供將資料端傳送至PC的方法。可以使用MCP355X示範電路板與DataView軟體來快速評估感測器或系統效能。此軟體使用直方圖與範圍繪製圖形對系統雜訊效能進行即時視覺化評估，可觀察到本文中所提到的許多相關問題。

典型連線

下圖中顯示的是MCP355X元件的典型應用，感測器已連接至MCP355X 22-bit Delta-Sigma ACD PICtail示範板以進行系統雜訊分析與除錯。

DataView軟體為視覺化工具，可使用MCP355X顯示即時直方圖。此軟體也會計算目前分佈的雜訊有效值 (RMS)。也可增減分佈內的取樣數，進行平均後實驗。

USB Interface to DataView™ on PCFor Noise Analysis

SPI Bus

PIC18F4550

MCP355X Demo Board

USB

5,6,7

12

3

4

8

3

3

5

~0.1-2 kΩTo VDD

To VREF0.1 μF

0.1 μF

1.0 μF

2x16 LCD(or similar)

MCU

PC RunningDataView™

8

VREF

SCKSDOCS

MCP355X

VSS

VIN+

VIN-

VDD

DataView™軟體以直方圖格式顯示系統效能

各種ADC架構 – Delta-Sigma轉換器

ADC轉換器設計指南 5

輸出雜訊 – 在高解析度A/D轉換器中，該元件的輸出結果一定是分佈在特定的範圍內，而非固定的數值。兩倍的標準差來自量測雜訊有效值 (RMS)、輸出雜訊或sigma (σ)。

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

-15 -10 -5 0 5 10 15

Output Code (LSB)

Num

ber

of O

ccur

renc

es

VDD = 5VVREF = 2.5V

VCM = 1.25VVIN = 0VTA = 25°C

16384consecutivereadings

此軟體也可使用繪圖視窗以時間為基礎進行系統分析。使用此視覺化分析工具，就可分析任何系統漂移或其他時間型錯誤。

下列是與Delta-Sigma轉換器相關的詞彙與圖表：

定義和詞彙超取樣率 – 訊號的實際取樣率，由轉換器的超取樣比率而定。 資料率 – 資料輸出率、吞吐率或是轉換器的兩倍奈奎斯特 (Nyquist) 頻率。降頻濾波器 – 此數位濾波器為Delta-Sigma轉換器的一部份。通常為SINC或複合式的數位濾波器。濾波器階數通常等於調變器階數再加1。數位濾波器的設計可策略性將帶陷頻率訂於市電頻率，以拒絕50/60 Hz的頻率。

0-10-20-30-40-50-60-70-80-90

-100-110-120

0 10 1101009080706050403020

Frequency (Hz)

Atte

nuat

ion

(dB

)

MCP3551元件的SINC濾波器響應

DataView™範圍繪圖檢視

2σ

σ

輸出雜訊測量

各種ADC架構 – Delta-Sigma轉換器

6 ADC轉換器設計指南

調變器階數 – 調變器階數指的就是Delta-Sigma架構的複雜度，以及ADC類比設計的回授數。因為較好的雜訊形成，可讓階數較高的調變器產生較大的動態範圍。每個超取樣率加倍，會使雜訊降低3(2L-1) dB，其中的L就是調變器階數。未調整總誤差 (TUE, Total Unadjusted Error) – 位移誤差、增益誤差以及積分非線性 (INL) 誤差的總和。大量的輸出結果以及高解析度ADC一定數量的結果，可以覆蓋所有的系統誤差。元件的未調整總誤差 (TUE) 可讓使用者測量每個元件此視窗的變化。下圖顯示VREF = 2.5V的整個輸入範圍上的典型未調整總誤差 (TUE) 響應。這也顯示MCP355X元件的位移、增益以及線性的組合。

有效解析度 (ER) 或有效位元數 (ENOB) – 此軟體也可使用繪圖視窗以時間為基礎進行系統分析，使用此視覺化分析工具，分析任何系統漂移或其他時間型錯誤。

有效位元數 (ENOB) 或有效解析度 (ER) 都是測量ADC實際解析度的方法。這是雜訊有效值 (RMS) (可測量到的最小訊號) 與元件的滿刻度輸入範圍 (可測量到的最大訊號) 相比較之後的比率。根據以下方程式所定義的方式轉換至以2為基底，可得到ENOB：

ENOB =

請注意，此方程式假設使用純粹的直流訊號。正弦波含有1.76 dB的交流雜訊，雜訊均勻的分佈在相同的峰值水平間。

若要使用SNR (dB) = 6.02n+1.76關係式 (用VRMS = VPEAK/2√(2)取得，或是以純正弦波作為訊號) 來計算有效位元數，應該使用以下方程式：

ENOB =

方程式間的差異在於1.76 dB，或者是0.292位元的差異。使用第一個方程式，MCP3551的滿刻度輸入範圍 (FSR) 是2*VREF

與2.5 μV的雜訊有效值 (RMS)，或是21.9 有效位元數 (ENOB)。雜訊形成 – 雜訊形成是Delta-Sigma轉換器與超取樣或平均系統不同的地方。Delta-Sigma轉換器的調變器可以將量化雜訊轉換至頻譜較高的一端，就可輕易的以數位濾波方式過濾出來。雜訊形成是Delta-Sigma架構的關鍵要素。

= STFNTF

= NTF-1NTF

ErrorLoopFilter

Quantizer

DAC

InputSignal

OutputBitstream

簡易一階調變器的示意圖

-5.0

-4.0

-3.0

-2.0

-1.0

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

-2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

VIN (V)

TU

E (

ppm

)

VREF = 2.5V的典型未調整總誤差 (TUE) 響應

In(滿刻度輸入範圍 (FSR)/雜訊有效值 (RMS))In(2)

0 f0

DigitalFilter

2f0Nyquist

fSOversampling

Mag

nitu

de

NTF

STF

STF: Signal Transfer FunctionNTF: Noise Transfer Function

數位濾波後的雜訊

20•log ( ) – 1.76

6.02

滿刻度輸入範圍 (FSR)雜訊有效值 (RMS)

各種ADC架構 – Delta-Sigma轉換器

ADC轉換器設計指南 7

高解析度ADC (例如在MCP3551的範例中為22-bit) 的超大動態範圍，不需要任何訊號調整電路。在先前的例子中，已經消除了增益電路與共模偏移。在22-bit的動態範圍中，12-bit視窗可存在於ADC輸入範圍內的任何位置，不再需要使用其他的位元。下圖顯示以VREF = 2.5V所做的比較 (注意：未按比例繪製)。

設計秘訣：Delta-Sigma ADC需要最低程度的抗混疊 (Anti-

aliasing) 濾波器。所有ADC都會有失真現象，即使是Delta-Sigma ADC。取樣頻率附近雜訊或不需要的訊號，都會混疊到使用中的頻帶，因此就無法分辨出這些訊號。但是，針對資料率使用有大比率取樣(超取樣) 的Delta-Sigma ADC，就可允許將簡易RC電路用於抗混疊濾波器。下圖顯示簡易RC濾波器因為大比率fS至fDATA，提供超取樣頻率 (fS) 足夠衰減的方式。

設計秘訣：使用較高解析度的Delta-Sigma ADC來取代訊號調整電路。

除了使用小型訊號的應用外，只需要10或12-bit精度的應用也可以使用高解析度ADC。下列系統方塊圖顯示典型的訊號調整電路。在此應用範例中，要求的精密度大約為10-bit。選取了12-bit ADC，必須將取得的訊號在轉換前進行放大。若要達到要求的轉換精密度，必須使輸入訊號以儘可能覆蓋ADC的滿刻度輸入範圍 (FSR)。在此範例中，訊號也有不同的共模電壓，這需要進行某些位移以及校正使訊號在進行放大前置中。

處理類似此範例的系統時，設計的秘訣就是使用較高解析度ADC以取得優勢。如果使用較高解析度ADC (例如MCP355X)，完全不需要使用訊號調整電路：

PIC®

Microcontroller

MCP3551

InputSignal

VREF

改採用較高解析度ADC電路

CalibrationDAC

InputSignal

Low-ResADCSumming

AmplifierPGA

VREF

-

+-

+

MCU/CPU

OSC

典型訊號調整電路

0V

2.5V

Sensor Output = 100 mV FS

0

2,097,152

4096

819212-bits

20-bits

高解析度位元比較

0

SINCFilter

fdata

Noi

se

fS

Signal Bandwidth

fS/2

Fold back

SignalsHere Could

Alias

Simple RC Filter

簡易RC衰減

各種ADC架構 – Delta-Sigma轉換器

8 ADC轉換器設計指南

6 ppm最大INL誤差 未調整總誤差少於10 ppm 無數位濾波器穩定時間，採3線式SPI 超低轉換電流 (MCP3551)： 100 μA典型值 (VDD = 2.7V) 120 μA典型值 (VDD = 5.0V) 差動輸入，配合VSS至VDD共模範圍 2.7V至5.5V單一電源操作 擴展的溫度範圍：-40°C至+125°C

應用 電子秤 直接溫度測量 6位數DVM 儀器 資料擷取 應變計測量

MCP3551/3元件為2.7V至5.5V低功耗、22-bit的Delta-Sigma類比數位轉換器 (ADC)。元件提供的輸出雜訊可低至2.5 μVRMS，未調整總誤差低於10 ppm。此系列可展示6 ppm最大積分非線性 (INL) 誤差、3 μV位移誤差以及2 ppm滿刻度誤差。MCP3551/3元件為應用提供高準確度與低雜訊效能，以便執行感測器測量 (例如壓力、溫度以及溼度)。有了內建振盪器與超高取樣率，高準確度應用需要使用的外接元件就可以降到最低。

MCP3551/3主要功能

22-bit ADC，MSOP-8封裝，內建自動偏移與增益校正 2.5 μVRMS的低輸出雜訊，有效解析度達21.9 位元 (MCP3551) 3 μV典型位移誤差 2 PPM典型滿刻度誤差

VIN+

VIN-

SCK

SDO/RDY

CS

VREF

VDD

PORInternal Oscillator

Ser

ial I

nter

face

4th OrderSinc

3rd Order DS ADCModulator w/Internal

Calibration

VDDVSS

產品規格

元件轉換時間

(tCONV)(1)

輸出資料速率

(SPS)

輸出雜訊(μNRMS)

主要開口

(Hz)

取樣頻率

(fS)

內部時脈(fOSC)

50/60 Hz

拒斥能力溫度範圍

(°C)封裝

MCP3551 72.73 ms 13.75 2.5 55 28160 Hz 112.64 kHz -88 dB at both50/60 Hz -40 to +125 8 MSOP, SOIC

MCP3553 16.67 ms 60 6 240 30720 Hz 122.88 kHz Not applicable -40 to +125 8 MSOP, SOIC

附註1： 離開關閉 (shutdown) 模式後的第一次轉換，tCONV在轉換完成，RDO旗標出現在SDO上之前，必須包括額外的154 fOSC週期。 若是未離開關閉 (shutdown) 的第一次轉換，tCONV在轉換完成，RDO旗標出現在SDO上之前，包括額外的112 fOSC週期。 第二次與後續的轉換將為tCONV。

MCP3551/3功能方塊圖

小型、低功耗的32-bit Delta-Sigma A/D轉換器

ADC轉換器設計指南 9

SOT-23-6封裝的MCP3421為單一通道、低雜訊、高準確度Delta-Sigma A/D轉換器，擁有差動輸入與最高至18-bit的解析度。精準的2.048V參考電壓可以差動輸入±2.048V。元件使用雙線l2C相容的串列介面，並可從範圍2.7V至5.5V的單一電源運作。使用雙線I2C相容串列介面，MCP3421元件可根據使用者控制的配置位元設定以每秒3.75、15、60或240取樣率執行轉換。此元件具有內建可程式化增益放大器 (PGA)。進行類比數位轉換前，使用者可以選擇x1、x2、x4或x8的PGA增益。這可讓MCP3421元件以高解析度轉換較小的輸入訊號。元件有兩種轉換模式：(a) 連續模式 (b) 單次模式。在單次模式中，元件會在轉換後自動進入低電流待機模式。這樣可在閒置模式時，大幅降低耗電量。針對需要多個感測器輸入的應用，也提供雙通道和四通道版本。此外，還提供16-bit的MCP3425/6/7/8。若以簡易使用、低功耗以及不佔空間為主要考量時，可以使用MCP3421元件配合各種高精度類比數位資料轉換應用。

MCP3421主要功能 18-bit解析度 SOT-23-6封裝 差動輸入操作 內建具有5 ppm/°C漂移的參考電壓 內建PGA，1、2、4或8的增益 可程式化資料率選項 – 3.75 SPS (18-bit) – 15 SPS (16-bit) VIN+

VIN-

∆∑ ADCConverter

VSS VDD

Voltage Reference(2.048V)

–

+

VREF

ClockOscillator

I2C Interface

PGA

SCL SDA

Gain = 1, 2, 4 or 8

MCP3421方塊圖

具有I2C™介面與內建參考電壓的18-bit ADC

– 60 SPS (14-bit) – 240 SPS (12-bit) FSR最大INL為10 ppm 低耗電，3V時為145 μA 單次或連續轉換選項 支援I2C串列介面 擴展的溫度範圍：-40°C至+125°C

應用 可攜式儀器 電子秤與油量錶 以RTD、熱敏電阻以及熱電耦進行溫度感測 適用於壓力、應力以及力量的電橋感測

產品規格

元件解析度(位元)

最大取樣率 (取樣/秒)

輸入通道數

介面電源電壓範圍

(V)典型電源電流

(μA)典型INL(ppm)

溫度範圍 (°C) 功能 封裝

MCP3421 18 to 12 4 to 240 1 Diff I2C™ 2.7 to 5.5 155 10 -40 to +125 PGA, VREF 6-pin SOT-23A

MCP3422 18 to 12 4 to 240 2 Diff I2C 2.7 to 5.5 145 10 -40 to +125 PGA, VREF8-pin SOIC, 8-pin MSOP, 8-pin 2x3 DFN

MCP3423 18 to 12 4 to 240 2 Diff I2C 2.7 to 5.5 145 10 -40 to +125PGA, VREF,Selectable I2C addressing

10-pin MSOP, 10-pin 3x3 DFN

MCP3424 18 to 12 4 to 240 4 Diff I2C 2.7 to 5.5 145 10 -40 to +125PGA, VREF,Selectable I2C addressing

14-pin SOIC,14-pin TSSOP

MCP3425 16 to 12 15 to 240 1 Diff I2C 2.7 to 5.5 155 10 -40 to +125 PGA, VREF 6-pin SOT-23A

MCP3426 16 to 12 15 to 240 2 Diff I2C 2.7 to 5.5 145 10 -40 to +125 PGA, VREF8-pin SOIC, 8-pin MSOP, 8-pin 2x3 DFN

MCP3427 16 to 12 15 to 240 2 Diff I2C 2.7 to 5.5 145 10 -40 to +125PGA, VREF,Selectable I2C addressing

10-pin MSOP,10-pin 3x3 DFN

MCP3428 16 to 12 15 to 240 4 Diff I2C 2.7 to 5.5 145 10 -40 to +125PGA, VREF,Selectable I2C addressing

14-pin SOIC,14-pin TSSOP

10 ADC轉換器設計指南

使用SAR轉換器設計系統時，必須瞭解以下規格與詞彙：擷取時間 – 下達取樣命令後，讓保持電容器充電完成所需的時間。

轉換時間 – 取樣訊號後，A/D轉換器進行一次轉換、編碼所需的時間。

吞吐率或每秒取樣 (SPS) – 轉換器進行取樣、擷取、數位化、準備以及輸出編碼所需的時間。 積分非線性 (INL) – 與轉換器整體準確度關係最密切的規格。INL是轉換的轉換點，實際轉換點與理想轉換點之間的最大偏差。INL代表累積的DNL誤差。微分非線性 (DNL) – 轉換編碼之間的寬度誤差。實際編碼寬度與理想1 LSB編碼寬度 (FSR/2^n) 的最大偏差。DNL誤差小於-1表示對應的編碼遺失。遺失編碼 – 不論輸入電壓為何，A/D轉換器從不輸出指定編碼的情形。

單調性 – 表示類比輸入電壓的增加 (或降低) 不會影響在輸出編碼產生變化或增加 (或降低)。單調性不表示不會遺失編碼。雙極與單極輸出 – 差動轉換器會提供正負雙極輸出。二進制輸出通常輸出2的補數。單極輸出會輸出0與VREF之間的值。

連續漸進暫存器 (SAR) ADC

連續漸進暫存器 (SAR) 使用漸進的方式，將類比輸入訊號轉換至數位編碼。SAR轉換器一般位於8至16-bit的範圍，取樣速度高達1 MSPS。SAR轉換器的主要優點是可以高資料擷取率連接到多工輸入。輸入會在內建電容器中進行取樣與保持，然後使用連續漸進常式將此電荷轉換成數位編碼。由於在整個轉換期間會保留此電荷，對於快速變化的輸入而言，只需考量初始化取樣與保持的期限或是擷取時間。所有轉換的轉換時間都相同。因此，SAR轉換器非常適合許多即時應用，包括馬達控制、觸控螢幕感應、醫療以及其他資料擷取系統。

Data Out

VREF

AnalogInput

Successive Approximation Concept

Digital Output Code = 1010

VIN

FS

3/4 FS

1/2 FS

1/4 FS

0

Bit = 1

Bit = 1Bit = 0

Bit = 0

TestMSB

TestLSB

TestMSB-1

TestMSB-2

Control Logic

Sampleand Hold

–

+

D/A Converter

Shift Register

DAC Output

各種ADC架構 – 連續漸進暫存器 (SAR)

ADC轉換器設計指南 11

-1-0.8-0.6-0.4-0.2

00.20.40.60.8

0 1024 2048 3072 4096Digital Code

DN

L (L

Sb)

MCP3221 Spectrum Using I2C™ Fast Mode(Representative Part, 1 kHz Input Frequency)

10-10-30-50-70-90

-110-130

Am

plitu

de (d

B)

Frequency (Hz)0 2000 4000 6000 8000 10000

±1 LSB DNL，±1 LSB INL最大值 (MCP3021) ±1 LSB DNL，±2 LSB INL最大值 (MCP3221) 內建取樣與保持電路 I2C相容串列介面，單一雙線匯流排上最高可用8個元件： – 100 kHz I2C標準模式 – 400 kHz I2C快速模式 單一電源指定操作：2.7V至5.5V 低功耗CMOS技術： – 5 nA待機電流 – 5V、100 ksps時的最大工作電流為250 μA 溫度範圍： – 工業：-40°C至+85°C (MCP3221) – 擴展：-40°C至+125°C

應用 資料記錄 多區監控 手持可攜式應用 以電池供電的測試設備 遠端或獨立資料擷取 語音頻帶AC應用，最高至8 kHz

MCP3021與MCP3221是低功耗，小封裝的10與12- bi t SAR ADC，最適合用於電池供電或可攜式資料擷取系統。基於先進的CMOS架構，這些元件在400 kHz I2C™時脈下僅使用180 μA電力。使用33 kHz I2C 時脈，電流降至30 μA以下。待機電流只有1 μA，MCP3221是全球目前採用SOT-23A封裝中，最低功耗的12-bit ADC。可以使用雙線I2C相容介面與任何一個元件建立通訊。

晶片上的串列通訊與轉換時脈可以分開獨立計時。 元件也可以進行定址，單一雙線匯流排上最多可連接8個元件。MCP3021與MCP3221使用單一電源，可在2.7V至5.5V的寬廣電壓範圍中作業。而且準確度極高，微分非線性 (DNL) 低於±1 LSB，積分非線性 (INL) 低於±2 LSB。

MCP3021與MCP3221主要功能 10-bit解析度 (MCP3021) 12-bit解析度 (MCP3221) 在I2C快速模式達22 ksps

產品規格

元件解析度(位元)

最大取樣率(取樣/秒)

輸入通道數

輸入類型 介面輸入電壓範圍

(V)

工作電流最大值

(μA)

最大INL溫度範圍

(°C)封裝

MCP3021 10 22 1 Single-ended I2C™ 2.7 to 5.5 250 ±1 LSB -40 to +125 5 SOT-23A

MCP3221 12 22 1 Single-ended I2C 2.7 to 5.5 250 ±2 LSB -40 to +125 5 SOT-23A

MCP3221功能方塊圖及DNL與數位編碼圖

SAR轉換器 – 業界SOT-23A封裝中最低功耗的ADC

12 ADC轉換器設計指南

單一電源指定操作：2.7V至5.5V 10-bit，VDD = 2.7V時有75 ksps最大取樣率 (MCP3001) 10-bit，VDD = 5V時有200 ksps最大取樣率 (MCP3001) 12-bit，VDD = 2.7V時有50 ksps最大取樣率 (MCP3201) 12-bit，VDD = 5V時有100 ksps最大取樣率 (MCP3201) 低功耗CMOS技術： – 500 nA待機電流 – 5V、100 ksps時的工作電流為300 μA 溫度範圍： – 工業：-40°C至+85°C

應用 感測器介面 程序控制 資料擷取 以電池電源運作的系統

MCP3001與MCP3201是10與12-bit的SAR ADC，提供低於1 μA的待機電流，工作電流於100 ksps時可達300 μA。兩種元件都有內建取樣與保持電路。 每個元件都有一個虛擬 (Pseudo) 差動輸入，並對於溫度具有絕佳的線性規格，可達±1 LSB DNL與±1 LSB INL。 使用相容於SPI通訊協定的簡易串列介面可建立與元件的通訊。兩種元件均可在2.7V至5.5V的廣大電壓範圍中運作。

MCP3001與MCP3201主要功能 10-bit解析度 (MCP3001) 12-bit解析度 (MCP3201) ±1 LSB DNL，±1 LSB INL最大值 (MCP3001) ±1 LSB DNL，±1 LSB INL最大值 (MCP3201) 內建取樣與保持電路 SPI串列介面 (模式0,0與1,1)

Comparator

AIN

CLKCS/SHDN

–

+

VREF VDD VSS

DAC

DOUT

10-bit SAR

Clock

Control Logic Shift Register

MCP3001

Frequency Spectrum of 1 kHz Input(Representative Part, VDD = 2.7V)

0-10-20-30-40-50-60-70-80-90

-100-110-120-130

Am

plitu

de (d

B)

Frequency (Hz)

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

VDD = VREF = 2.7VfSAMPLE = 75 kspsfINPUT = 1.00708 kHz4096 points

Sampleand Hold

產品規格

元件解析度(位元)

最大取樣率(取樣/秒)

輸入通道數

輸入類型 介面輸入電壓範圍

(V)

工作電流最大值

(μA)

最大INL溫度範圍

(°C)封裝

MCP3001 10 200 1 Pseudo-Diff. SPI 2.7 to 5.5 400 ±1 LSB -40 to +85 8 PDIP, MSOP, SOIC, TSSOP

MCP3201 12 100 1 Pseudo-Diff. SPI 2.7 to 5.5 400 ±1 LSB -40 to +85 8 PDIP, MSOP, SOIC, TSSOP

SAR轉換器 – 低功耗100與250 ksps，10與12-bit ADC

ADC轉換器設計指南 13

有了可配置為虛擬差動或單端的 2、4和 8通道，使MCP3X02/4/8轉換器成為多功能的又強大的ADC。領先業界的低功耗技術，為這些多通道元件提供低耗電量：<1 μA的待機電流，100 ksps時為250 μA。 藉由轉換器在寬廣電壓與溫度範圍 (2.7V至5.5V與-40至+85°C) 的優異INL與DNL效能 (±1 LSB)，可在需要極高線性與多通道的應用使用這些元件。 雙通道元件可程式化為2個虛擬差動對或是4個單端輸入。4通道元件可程式化為4個虛擬差動對或是8個單端輸入。元件使用業界標準的串列SPI通訊協定。

–

ComparatorCH0CH1

CH7

MCP3204/3208

-+

Control Logic

DAC

InputChannel

Mux

Motor Control

Sensor/Instrumentation

Power-FactorMonitoring

UPSShift Register

Sampleand Hold

12-bit SAR

產品規格

元件解析度(位元)

最大取樣率(取樣/秒)

輸入通道數

輸入類型 介面輸入電壓範圍

(V)

工作電流最大值

(μA)

最大INL溫度範圍

(°C)封裝

MCP3002 10 200 2 Single-ended orPseudo-Differential SPI 2.7 to 5.5 250 ±1 LSB -40 to +85 8 PDIP, MSOP, SOIC,

TSSOP

MCP3004 10 200 4 Single-ended orPseudo-Differential SPI 2.7 to 5.5 400 ±1 LSB -40 to +85 14 PDIP, SOIC, TSSOP

MCP3008 10 200 8 Single-ended orPseudo-Differential SPI 2.7 to 5.5 400 ±1 LSB -40 to +85 16 PDIP, SOIC

MCP3202 12 100 2 Single-ended orPseudo-Differential SPI 2.7 to 5.5 550 ±1 LSB -40 to +85 8 PDIP, MSOP, SOIC,

TSSOP

MCP3204 12 100 4 Single-ended orPseudo-Differential SPI 2.7 to 5.5 400 ±1 LSB -40 to +85 14 PDIP, SOIC, TSSOP

MCP3208 12 100 8 Single-ended orPseudo-Differential SPI 2.7 to 5.5 400 ±1 LSB -40 to +85 16 PDIP, SOIC

MCP3X02/4/8 ADC主要功能 10-bit與12-bit解析度 ±1 LSB DNL，±1 LSB INL最大值 ±1 LSB DNL，±1 LSB INL最大值 內建取樣與保持電路 SPI串列介面 (模式0,0與1,1) 單一電源指定操作：2.7V至5.5V 低功耗CMOS技術： – 500 nA待機電流 – 5V、100 ksps時的工作電流為300 μA

應用 多通道資料擷取可攜式 感測器介面 程序控制 資料擷取 以電池電源運作的系統

SAR轉換器 – 低功耗、多通道ADC – 適用於可攜式裝置

14 ADC轉換器設計指南

MCP330X系列的資料轉換器搭配雙極互補輸出提供真實差動輸入。應變計、惠斯登電橋以及AC訊號都已確實地連接至差動輸入ADC的介面。這些ADC提供單一差動輸入，雙差動輸入或是四組差動輸入。

這些元件在作業速率小於100 ksps下的低功耗，加之高解析度，使得這些感測器很適合在可攜式AC測量應用上使用。

MCP330X ADC主要功能 完整差動輸入，搭配13-bit解析度 ±1 LSB DNL最大值 ±1 LSB INL最大值 單端輸入數量： – 1 (MCP3301) – 4 (MCP3302) – 8 (MCP3304)

DifferentialInput Signal

Strain Gauge/Load Cell

1 μF

VREF

VDD

IN+IN- VSS

VDDVREF

內建取樣與保持電路 SPI串列介面 (模式0,0與1,1) 單一電源指定操作：2.7V至5.5V 低功耗CMOS技術： – 500 nA待機電流 – 5V、100 ksps時的工作電流為300 μA 100 ksps取樣率，使用5V電源 溫度範圍：-40°C至+85°C

應用 遠端感測器 以電池電源運作的系統 換能器介面

產品規格

元件解析度(位元)

最大取樣率(取樣/秒)

輸入通道數

輸入類型 介面輸入電壓範圍

(V)

工作電流最大值

(μA)

最大INL溫度範圍

(°C)封裝

MCP3301 13 100 1 Differential SPI 2.7 to 5.5 450 +1 LSB -40 to +85 8 PDIP, MSOP, SOIC

MCP3302 13 100 2 Differential SPI 2.7 to 5.5 450 ±1 LSB -40 to +85 14 PDIP, SOIC, TSSOP

MCP3304 13 100 4 Differential SPI 2.7 to 5.5 450 ±1 LSB -40 to +85 16 PDIP, SOIC

SAR轉換器 – 13-bit差動輸入ADC – 適用於感測器連接介面

ADC轉換器設計指南 15

雙斜率轉換器在固定時間內，藉由從輸入電壓將電容器充電來運作，然後放電至零。實際資料轉換以兩階段完成：輸入訊號積分與參考電壓解積分 (de-integration)。在積分開始之前，積分器輸出會初始至0V。積分期間，類比切換器 (S1) 將VIN連接至積分器輸入，並維持一段固定時間 (tINT)。積分器輸出電壓的速率由VIN的大小決定，VIN極性則決定電壓的極性。解積分階段會在tINT後立即開始。

在解積分的階段中，S1會將參考電壓 (擁有與VIN相反的極性) 連接至積分器輸入。同時，也會啟動外部精密計時器。解積分階段會維持到比較器輸出狀態改變為止，表示積分器已經回到起點0V。當這種情況發生時，計時器就會停止。由計時器測量的解積分時間 (tDEINT)，可直接按比例反應出輸入電壓的大小。

Analog InputSignal

SwitchDrive

Inte

grat

orO

utpu

t

Polarity Control

Phase Control

VIN » VREF

VariableReferenceIntegrateTime

FixedSignal

IntegrateTime

Integrator Comparator

VIN » 1/2 VREF

–

+

–

+

ControlLogic

REFVoltage

Display Counter

Clock

以下是有關輸入訊號、參考電壓以及積分時間的簡易數學方程式：

(1/RINTCINT)*積分 [ VIN (t) dt ] 由 t = 0 至 t = tINT

若為常數VIN：

VIN = VREF * (tDEINT / tINT)只要積分電阻與電容值在測量週期中保持穩定，就不會影響雙斜率轉換器的精準度。

先天的優點就是雜訊抑制性。在積分期間，會積分輸入雜訊尖峰 (平均至零)。在高雜訊環境中積分型ADC可以避免像連續漸進轉換器 (SAR) 產生較大轉換誤差困擾。積分轉換器有與生俱來的雜訊拒斥能力，衰減率至少為20 dB。理論上來說，積分週期中頻率為積分倍數的干擾訊號，可以完全移除，因為正弦波在單一週期 (t) 中的平均值為零。

基本雙斜率轉換器

各種ADC架構 – 雙斜率或積分

16 ADC轉換器設計指南

接受雙極輸入，最高可達±4.2V

TC5XX系列為精密類比前端，可實作雙斜率ADC，解析度最大為17-bit加符號。TC500需要雙電源操作，而TC510則加上內建電源轉換電路，可以單電源運作。

您可以設定轉換器的轉換速度，使用者可以用轉換速度交換解析度。TC5XX搭配單一與多通道元件後，就是一個強大的雙斜率轉換器。擁有50/60 Hz雜訊拒斥、低功耗運作以及最少的I/O連線，適用於各種資料擷取系統。

Control Logic

AnalogSwitchControlSignals

ACOM

IntegratorCMPTR 1

CMPTR 2

CMPTROutput

DGND

Control Logic

CREFRINT CINT

VSS

VSS

OSC

A B 0 0 Zero Integrator Output 0 1 Auto-Zero 1 0 Signal Integrate 1 1 De-integrate

BA

A0 A1

CH1+CH2+CH3+CH4+CH1-CH2-CH3-CH4-

Converter Sate

DC-to-DC Converter(TC510 and TC514)

PolarityDetection

DIFF.MUX

(TC514)

-

+LevelShift

PhaseDecoding

Logic

-

+-

+-

+

TC5XX主要功能 精密 (高達17-bit) A/D轉換器「前端 (Front End)」 3個控制接腳 彈性：使用者可以用轉換速度交換解析度 單一電源操作 (TC510/TC514) 4個輸入，差動類比多工器 (TC514) 自動輸入電壓極性偵測 寬廣的類比輸入範圍：±4.2V (TC500A/TC510) 直接接受雙極與差動輸入訊號 低功耗： – 10 mW - (TC500/TC500A), 18 mW - (TC510/TC514)

TC5XX應用 精密類比訊號處理器 精密感測器介面 高精度DC測量

產品規格

元件電源電壓

(V)

輸入電壓範圍

(V)

解析度輸入

(V)

取樣率

(Conv/s)

輸入

通道數資料介面

溫度範圍

(°C)功能 封裝

TC500A ±4.5 to ±7.5 VSS + 1.5V toVDD – 1.5V

Up to 17 bits 4 to 10 1 3-Wire 0 to +70

Differential input range, Programmable resolution/conversion time

16 PDIP, SOIC, CerDIP

TC510+4.5 to +5.5 VSS + 1.5V to

VDD – 1.5V Up to

17 bits 4 to 10 1 3-Wire 0 to +70Differential input range, Programmable resolution/conversion time, Charge pump (-V) output pin

24 PDIP, SOIC

TC514 +4.5 to +5.5 VSS + 1.5V toVDD – 1.5V

Up to 17 bits 4 to 10 4 3-Wire 0 to +70

Differential input range, Programmable resolution/conversion time, Charge pump (-V) output pin

28 PDIP, 28 SOIC

TC520A +4.5 to +5.5 — — — — Serial Port 0 to +70 Optional serial interface adapter for

TC500/A/510/514 14 PDIP, 16 SOIC

雙斜率 – 17-bit加符號的串列ADC

ADC轉換器設計指南 17

這些元件具有內建完整的資料擷取系統的晶片，可直接驅動多工的液晶顯示器 (LCD)。TC7107A可驅動一般的發光二極體 (LED) 顯示器，每個區段提供8 mA的直接驅動能力。晶片上已整合7段顯示器解碼器、數位與極性驅動器、參考電壓以及時脈電路。

一個低成本、高解析度的指示錶，只需要一個顯示器以及一些電阻與電容。3½位或4½位顯示位數，以及延伸功能與電源選項，讓TC711X與TC712X元件非常適合多功能儀表與數位測量元件使用。

TC71XX主要功能 具有低溫漂的內部參考 – TC7126A：80 ppm/°C典型值 – TC7117A：20 ppm/°C典型值 直接驅動LCD或LED顯示器 便利的9V電池運作 – TC7116A/TC7126A/TC7129 差動輸入操作 工業溫度範圍：-25°C至85°C

TC71XX應用 全功能的多功能儀表 數位測量元件 電橋讀出 可攜式儀器

產品規格

元件顯示器類型

電源電壓

(V)

解析度

(位數)

解析度

(計數)

功率(mW)

溫度範圍

(°C)功能 封裝

TC7106A LCD 9 3.5 Digit High Power LCD ±2,000 10 -25 to +85 For DMM, DPM, Data logger

applications40 PDIP, 44 PLCC, 44 PQFP, 40 CerDIP

TC7107A LED ±5 3.5 ±2,000 10 -25 to +85 For DMM, DPM, Data logger applications

40 PDIP, 44 PLCC, 44 PQFP, 40 CerDIP

TC7116A LCD 9 3.5 with Hold ±2,000 10 -25 to +85 Hold function 40 PDIP, 44 PLCC, 44 PQFP, 40 CerDIP

TC7117A LED ±5 3.5 ±2,000 10 -25 to +85 Hold function 40 PDIP, 44 PLCC, 44 PQFP, 40 CerDIP

TC7126A LCD 9 3.5 ±2,000 0.5 -25 to +85 Low Power TC7106 40 PDIP, 44 PLCC, 44 PQFP, 40 CerDIP

TC7129 LCD 9 4.5 with LCD ±20,000 0.5 0 to +70 Lowest noise ±3 mV sensitivity 40 PDIP, 44 PLCC, 44 PQFP, 40 CerDIP

COSC

100 pF

VREF+

TC7106/ATC7107/A

VREF

V-

OSC1OSC3OSC2

CREF-CREF+

VIN+

VIN-

AnalogCommon

VINT

VBUFF

CAZ

Minus Sign BackplaneDrive

28

LCD Display

VREF-

+

AnalogInput

+

–

3½與4½位數ADC，搭配區段驅動 (Segment Drive)

18 ADC轉換器設計指南

TC14433A為低功耗、高效能、獨立運作的CMOS 3½數位A/D轉換器。TC14433A將類比與數位電路結合在單一IC上，藉此減少外部元件的數量。此雙斜率A/D轉換器提供自動極性與零點修正，並增添兩個外部電阻與兩個電容。滿刻度輸入範圍 (FSR) 為199.9 mV至1.999V。TC14433A的操作電源電壓範圍很廣。TC14433A比業界標準的TC14433具有更多效能以及提升的功能。TC14433A功耗的典型值是4 mW，大約是業界標準TC14433的一半。

產品規格

元件 說明電源電壓

(V)

輸入電壓範圍

(V)

解析度

(位數)

解析度

(計數)

最大功率

(mW)資料介面

溫度範圍

(°C)功能 封裝

TC14433A BCD A/D ±4.5 to ±5 ±199.9 mVto 1.999V 3.5 ±2,000 20 MUXed

BCD -40 to +85 For DMM,Data loggers

24 PDIP, 28 PLCC, 24 CerDIP

Input

20 kΩ

1 μF +5V

MCP1525

VIN

VOUT

VSS

+5V VX

-1.888VEE**(Minus)

MinusControl

300 kΩ

+5V

RDP

Resistor Networkor Individual

Resistor*

75492or 1413*

Digit Drivers

TC14433

R1 R1/C C1 C01 C02

CLK1CLK0

ORQ0Q1Q2

VSS

VDD

VEE

DS4 DS3 DS2 DS1

VX

VAG

DU

EOE

VREF

CommonCathodeLED Display

RM

ABCDLTLEVSS VDD

abcdefg

I4511B

B1 R

0.1 μF0.1 μF470 kΩ

Alternate Overrange Circuitwith Separated LED

ORRR

+5V1/6

1/7

75492OR 1413

3½位數ADC及BCD輸出

TC14433A主要功能 精度：讀數的±0.05% ±1計數 兩種電壓範圍：1.999V與199.9 mV 高達每秒25次轉換 ZIN > 1000M歐姆 單一正參考電壓 自動極性與自動歸零 提供超出範圍上下限時的訊號 在自動界定範圍電路中運作 使用晶片上的系統時脈或外部時脈TC14433A應用 可攜式儀器 數位電壓錶 數位面板儀表 數位電子秤 數位溫度計 遠端A/D感測系統

ADC轉換器設計指南 19

TC850是獨立運作的CMOS A/D轉換器 (ADC)，解析度為15-bit加符號。轉換器結合截波穩定緩衝器與積分器，並使用可增加轉換速度的獨家多斜率整合技術。結果可提升16倍，超越之前15-bit的積分ADC (從每秒2.5次轉換增加到每秒40次)。這種快速轉換速度在使用人機介面的系統中特別受歡迎，例如數位電子秤。

TC850整合了ADC以及與微處理器相容的數位介面。只需要參考電壓與少數非關鍵被動元件，就可組成完整的15-bit加符號ADC。CMOS處理可提供TC850高抗阻與差動輸入。輸入偏壓電流通常只有30 pA，允許直接連接到感測器介面。每個最小有效位元 (LSB) 100 μV 的輸入敏銳度，因此不需使用精密的外部放大器。內建放大器可自動歸零，以0V類比輸入確保零數位輸出。不需使用歸零調整電位器或校準。

TC850可在8-bit、三態匯流排上輸出資料。數位輸入與CMOS相容，輸出則與TTL/CMOS相容。結合轉換結束輸出的晶片致能與位元選取輸入，確保簡易連接介面至多種微處理器。可以連續或在命令下執行轉換。在連續模式中，會以3個連續位元組讀取資料，不需處理位址行。從±5V電源操作時，TC850僅消耗20 mW。

產品規格

元件 說明電源電壓

(V)

輸入電壓範圍

(V)

解析度

(位數)

解析度

(計數)

最大功率

(mW)資料介面

溫度範圍

(°C)功能 封裝

TC850 Binary A/D ±5 VSS + 1.5V toVDD – 1.5V 15-bit ±32,768 35 8-bit

Parallel -25 to +70 Highest conversion speed (40 conv/sec)

44 PLCC, 40 PDIP, 40 CerDIP

BUF INT IN

Buffer

Pinout of 40-Pin Package

Integrator

Comparator

DB7

TC850

REF-

RINT CINT

INT OUT

IN+

6-BitUp/DownCounter

REF2+REF1+

DB0

9-BitUp/DownCounter

. . .

WRCONT/DEMAND

IN-Common

+5V–5V

OSC2 L/H OVR/POL

RD CS CEOSC1

ClockOscillator

A/DControl

Sequencer

Data Latch

-

+ -

+-

+

3-State Data Bus

Octal 2-Input MuxBus InterfaceDecode Logic

AnalogMux

÷ 4

TC850主要功能 15-bit解析度加符號位元 高達每秒40次轉換 整合ADC技術 – 單調性 – 高雜訊抑制性 – 自動歸零放大器消除偏移修正 寬廣的動態範圍：96 dB 低輸入偏壓電流：30 pA 低輸入雜訊：30 μVP-P 敏銳度：100 μV 靈活的操作控制 連續或隨選轉換 資料有效輸出 匯流排相容、三態資料輸出 – 8-bit資料匯流排 – 簡易μP介面 – 2個晶片致能 – 按照記憶體形式讀取ADC結果 ±5V電源操作：20 mW

TC850應用 精密類比訊號處理器 精密感測器介面 高精度DC測量

15-bit二進制輸出ADC包括自動歸零放大器

20 ADC轉換器設計指南

TC7109A是12-bit加符號、CMOS低功耗類比數位轉換器。只需8個被動元件與石英晶體，就可組成完整的雙斜率積分ADC。改善VOH電流源與其他TC7109A功能，讓此轉換器成為許多資料擷取應用，在類比多工之外另一個吸引人的選擇。這些功能包括典型1 pA的輸入偏壓電流、漂移小於1 μV/°C，輸入雜訊通常為15 μVP-P與自動歸零。真實差動輸入與參考，允許測量電橋類型換能器，例如荷重計、應變計以及溫度換能器。

TC7109A提供多用途數位介面。在直接模式中，晶片選取與高/低位元組啟用可用於控制並列匯流排。在交握模式中，TC7109/A會使用業界標準UART操作傳輸資料，最適合用於遠端資料記錄。對轉換時機的控制與監視由RUN/HOLD輸入，輸出則由STATUS提供。如需要求更高解析度的應用，請參閱TC500、15-bit加符號ADC資料手冊。

產品規格

元件電源電壓

(V)

輸入電壓範圍

(V)

解析度

(位數)

取樣率(Conv/s)

輸入通道數

資料介面溫度範圍

(°C)功能 封裝

TC7109A ±5 VSS + 1.5V toVDD – 1.0V

12 bits plus sign bit ±32,768 1 Parallel or

Serial -25 to +85 Differential Input Range 44 PDIP, 40 CerDIP, 44 PLCC, 44 PQFP

InputHigh

AZBUFFCAZ

INT

Buffer IntegratorAZZI

AZZI

DE(+)

AZ

INT

AZ

ComparatorCompOut

CREF

AZDE (±)

ZI

Common

InputLow

INT

REFIN+

DE(-)

DE(-)

DE(+)

RINTCINTREF

CAP-REFCAP+

ZI

6.2V

10 mA

V+V-REFOUT

To AnalogSection

Comp Out AZ

INTDE (±)

ZI

LBENHBENCE/LOAD

GNDSendModeBUFFOSCOUT

OSCSEL

OSCOUT

OSCIN

RUN/HOLD

Status

POL

OR

TEST

High OrderByte Inputs

Low OrderByte Inputs

TC7109ATypical Application

REFIN- B 1

2B 1

1B 1

0B 9 B 8 B 7 B 6 B 5 B 4 B 3 B 2 B 1

Clock

Latch

-

+

-

+

ConversionControl Logic

Oscillator andClock Circuitry

HandshakeLogic

-

+ -

+

12-Bit Counter

14 Latches

16 Three-State Outputs

TC7109A主要功能 零積分週期的輸入超載狀態復原 消除多工系統中的串音 12-bit加符號積分A/D轉換器，帶有超轉換範圍指示 符號位元編碼格式 真實差動訊號輸入與差動參考輸入 低雜訊：15 μVP-P典型值 輸入電流：1 pA典型值 不需歸零調整 TTL相容，位元組三態輸出 UART交握模式的串列資料傳輸

TC7109A應用 適用於遠端資料記錄 電橋類型換能器測量 – 荷重計 – 應變計 – 溫度換能器

12-bit雙斜率，使用串列與並列二進制輸出

ADC轉換器設計指南 21

DataView™軟體系統效能直方圖

MXLAB®螢幕擷取

DataView™軟體工具

DataView為視覺化工具，顯示MCP355X的即時直方圖與範圍繪圖輸出。此軟體也會計算目前分佈的雜訊有效值 (RMS)。也可增減分佈內的取樣數，進行平均後實驗。 直方圖 範圍繪圖 RMS雜訊計算

MXLAB®軟體工具

MXLAB軟體工具在Windows®系統環境中提供資料擷取、分析與顯示。此外，可以作數位電位器關閉、重置以及菊鏈操作的分析。MXLAB軟體可以根據增益輸入 (dB或V/V) 來判定數位電位器設定、濾波器截止頻率以及偏移電壓等級。MXLAB軟體可從Microchip網站 www.microchip.com 免費下載。 以下是與MXLAB軟體相關的工具： 快速傅立葉轉換 (FFT) 直方圖 示波器 即時數字 即時點條圖 資料清單MXDEV®類比評估系統

MXDEV®類比評估系統用途廣泛，容易使用，可評估Microchip的MCP混合訊號產品。系統要配合個人電腦使用，包括兩個部份：DVMCPA驅動器板與相關的MXLAB軟體，提供資料擷取、Windows環境中的分析與顯示，以及包含要評估元件的DVXXXX評估板。 DV42XXX數位電位器評估板顯示MCP42XXX使用在許多熱門的數位應用中。這些電路包括可程式化增益電路、可程式化濾波電路以及可程式化電路。MXLAB系統中的數位電位器工具會根據使用者增益輸入 (以dB或V/V為單位)、濾波器截止頻率與近似方法以及偏移電壓來計算電路的電阻接點 (Wiper) 值。此外，內建有ADC允許對電路的分析，使用MXLAB軟體的時間與頻域工具。

Microchip開發板

DVMCPA - MXDEV類比評估驅動器板版本1DV3201A - MCP3001/3002與MCP3201/02 A/D轉換器評估板DV3204A - MCP3004/3008與MCP3204/08 A/D轉換器評估板 DV42XXX - MCP42XXX數位電位器MCP3551DM-PCTL - MCP3551/3示範板MCP3421EV - MCP3421 SOT23-6評估板MCP3421DM-BFG - MCP3421電池剩餘電量指示示範板MCP3422EV - MCP3422評估板MCP3423EV - MCP3423評估板MCP3424EV - MCP3424評估板MCP3425EV - MCP3425 SOT23-6評估板MCP355XDM-TAS - MCP355X小型應用感測器板MCP355XDV-MS1 - MCP355X感測器應用開發板MCP3221DM-PCTL - MCP3221 PICtail™示範板

開發工具

22 ADC轉換器設計指南

相關支援資料

在Microchip網站 www.microchip.com/appnotes 上可以找到下列文獻。此外也有一些可能有幫助的其他應用筆記。

應用筆記AN246：驅動SAR A/D轉換器的類比輸入如果一開始不暸解所有問題與取捨，就很難控制任何A/D轉換器。要充分利用連續漸進暫存器 (SAR) A/D轉換器，必須考量取樣速度與來源抗阻。此應用筆記探究SAR轉換器輸入與轉換的問題，以確保從設計階段的一開始，就能正確處理轉換器。

AN681：讀取並使用快速傅立葉轉換 (FFT)

此應用筆記專注在使用FFT繪圖描繪A/D轉換器的效能。FFT有助辨識雜訊干擾、電源以及類比元件效能。

AN688：12-bit A/D轉換器應用的配置秘訣此應用筆記說明基本A/D轉換器配置綱要，最後以需注意的事項作為結尾。文中也提供好的與壞的配置技術的範例。

AN693：瞭解A/D轉換器效能規格此應用筆記說明用來量化A/D轉換器效能的規格，並讓讀者更能瞭解應用中這些規格的重要意義。

AN695：Microchip類比周邊設備的介面壓力感測器此應用筆記專注在感測器至微控制器，其壓阻式感測元件的訊號調整路徑。文件顯示感測器電子輸出的增益、濾波以及數位化方式，以便使用微控制器進行轉換器的校正。

AN780：使用TC500A與TC520的15公斤秤重計使用Microchip的TC500A類比處理器與TC520 16-bit控制器設計一個15公斤的秤重計。秤重計必須向下解析至1/8公克並修正至6-1/2公克內。

AN781：使用TC7106解決感測器偏移問題設計工程師有時必須將TC7106與類似的ADC連接介面至「不理想」的感測器。常見的問題是，感測器通常不會產生「零」輸出，而設計卻需要零讀數。

AN783：搭配TC7106A/7107A的±5V電源操作此應用筆記說明搭載液晶顯示器驅動的TC7106A/7107A 3-1/2 A/D轉換器，如何使用低成本穩壓器 (例如TC55 (+5V)) 從±5V電源獲得電源。

AN788：數字整合技術加速雙斜率A/D轉換藉由使用低成本微處理器與程式控制、數字整合技術，可以達到良好的雜訊拒斥並善加利用雙斜率A/D轉換器 (例如TC7109) 所提供的高速處理。

AN789：整合轉換器類比處理器 – TC500A

現在的設計工程師比較倚賴微處理器與微控制器來支援應用。相容的A/D轉換器與D/A轉換器大幅提升介面與控制電路的彈性。

AN796：TC7109自動紀錄遠端資料可以結合TC7109類比數位轉換器、2K位元組CMOS靜態RAM以及許多邏輯閘與計數器，組成低成本、靈活又獨立的資料記錄系統。

AN842：差動ADC偏壓技術、秘訣以及竅門此應用筆記討論差動輸入配置與其操作電路，以及選擇正確電壓等級實作這些輸入模式與技術。

AN845：使用PIC®微控制器與MCP3221建立通訊此應用筆記包含MCP3221元件與PIC®微控制器間的通訊。也涵蓋了I2C™通訊協定的硬體與軟體實作。

AN1007：使用MCP3551 Delta-Sigma ADC進行設計此應用筆記討論在使用22-bit ADC的MCP355X系列時，所需遵守的各種設計技術。

AN1030：MCP3551的電子秤應用此應用筆記討論在電子秤應用中使用MCP3551時的各種設計技術。

示範/評估板與使用指南

MCP3XXX Evaluation Kit User’s Guide (DS51220)

此文件說明如何使用MCP3XXX評估板來評估Microchip的獨立式MCP3XXX A/D轉換器。

ADC轉換器設計指南 23

Thermal Management

PowerManagement

TemperatureSensors

Fan SpeedControllers/Fan FaultDetectors

LDO & SwitchingRegulators

Charge PumpDC/DC Converters

Power MOSFETDrivers

PWM Controllers

System Supervisors

Voltage Detectors

Voltage References

Li-Ion/Li-PolymerBattery Chargers

Mixed-Signal

A/D ConverterFamilies

Digital Potentiometers

D/A Converters

V/F and F/VConverters

EnergyMeasurementICs

Interface

CAN Peripherals

InfraredPeripherals

LIN Transceivers

Serial Peripherals

Ethernet Controllers

Linear

Op Amps

ProgrammableGain Amplifiers

Comparators

Safety & Security

PhotoelectricSmoke Detectors

Ionization SmokeDetectors

Ionization SmokeDetector Front Ends

PiezoelectricHorn Drivers

穩健性 MOSFET驅動器的閉鎖抗干擾性/穩定性，使其居於業界領 導地位 高效能LIN與CAN收發器低功耗/低電壓 在指定的增益頻寬下功耗最低的運算放大器系列 600 nA/1.4V/14 kHz頻寬運算放大器 1.8V電荷幫浦 (Charge Pumps) 與比較器 1.6 μA LDO 具備單次轉換功能的低功耗ADC整合 市場中第一個具備整合式LDO、重置與擁有溫度感測器之風 扇控制器的元件 PGA整合了多工器、電阻性階梯、增益開關、高效能放大器與 SPI介面 業界第一個具備非揮發性EEPROM的12-bit四路DAC Delta-Sigma ADC具備內建PGA與參考電壓 針對鋰電池與磷酸鐵鋰電池提供高度整合的充電解決方案

節省空間 SC70封裝具有重置與LDO功能，SOT-23封裝中則有A/D與D/A 轉換器 CAN與IrDA®標準通訊協定堆疊均嵌入18接腳封裝中精度 低輸入偏移電壓 高增益創新 低接腳數嵌入式IrDA標準堆疊，FanSense™技術 Select Mode™作業 業界第一款採用mCal技術的運算放大器，能按實際需要進 行校準 數位電位器採用WiperLock™技術，以保護EEPROM如需詳細資訊，請造訪Microchip網站，網址為：www.microchip.com

類比及介面屬性

獨立式類比與介面產品系列

Information subject to change. The Microchip name and logo, the Microchip logo and PIC are registered trademarks of Microchip Technology Incorporated in the U.S.A. and other countries. MXLAB and MXDEV are registered trademarks of Microchip Technology Incorporated in the U.S.A. FanSense and Select Mode are trademarks of Microchip Technology Incorporated in the U.S.A. and other countries. All other trademarks mentioned herein are property of their respective companies. © 2011, Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. Printed in China. 12/11DS21841C_TW

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