Microchip公司的MCP3421與其他A／D轉(zhuǎn)換器相比,，特點主要表現(xiàn)在：全差分輸入,；18位分辨率；精密的連續(xù)自校準功能,；可選擇3.75,、15、60或240 sps采樣速率進行轉(zhuǎn)換,；可工作在連續(xù)轉(zhuǎn)換或單次轉(zhuǎn)換模式,，在單次轉(zhuǎn)換后的空閑期內(nèi)自動進入待機模式，極大地減小了電流消耗,；內(nèi)部集成2.048 V±0.05％精度,，且溫度漂移僅為5ppm／℃的基準電壓源；可編程增益放大器(PGA)提供1／2／4／8倍增益,，允許測量極小的信號并且具有很高的分辨率,；內(nèi)部集成振蕩器電路并提供I2C串行接口等。
1 MCP3421封裝形式與結(jié)構(gòu)
MCP3421是Microchip公司△-∑A／D轉(zhuǎn)換器系列的一款18位分辨率器件,，采用SOT23-6封裝,。圖1為MCP342引腳分布圖，各引腳的功能如表1所列,。MCP342內(nèi)部采用了Microchip專利的差分開關電容△-∑轉(zhuǎn)換及數(shù)字濾波技術(shù)，專為需要高分辨率和低功耗的應用而設計,。在這種應用中,，空間和低功耗是設計的首要考慮因素,。MCP3421可在2.7～5.5V單電源下電壓工作，并消耗很低的電流,。在VDD=3 V,、單次轉(zhuǎn)換、1 sps條件下,，電流消耗僅為39μA(典型值),。其內(nèi)部功能框圖略--編者注。
2 MCP3421的工作原理
MCP3421為一個全差分,、18位分辨率且具有自校正功能的△-∑A／D轉(zhuǎn)換器,，內(nèi)部內(nèi)部包括△-EA／D轉(zhuǎn)換器、可編程增益放大器(PGA),、時鐘振蕩器和I2C串行接口,，以及2.048 V電壓基準源5部分。MCP3421設計簡單,、極易配置,，允許設計工程師通過最小配置獲得精確的測量結(jié)果。
2.1 △-∑A／D轉(zhuǎn)換器
MCP3421△-∑A／D轉(zhuǎn)換器包括一個差分開關電容△-∑調(diào)制器和一個數(shù)字濾波器,。調(diào)制器測量差分模擬輸入電壓(經(jīng)內(nèi)部PGA放大),，并將其與內(nèi)部電壓基準相比較。MCP3421內(nèi)部集成了2.048 V電壓基準,。數(shù)字濾波器從調(diào)制器接收到高速數(shù)據(jù)流,，經(jīng)數(shù)字濾波器處理后輸出一個數(shù)字代碼。MCP3421輸出的數(shù)字代碼是PGA增益,、輸入信號和內(nèi)部電壓基準的函數(shù),。在固定配置下，輸出數(shù)字代碼與兩個模擬輸入引腳問的電壓差成正比,。輸出代碼限定在一定的數(shù)目范圍內(nèi),，該范圍取決于代表輸出碼所需的位數(shù)，同時也與采用的轉(zhuǎn)換速率有關,，如表2所列,。
MCP3421輸出代碼采用二進制補碼的形式，最大的n位代碼為2n-1,，而最小的n位代碼為-2n-1,。MCP3421輸出的所有代碼均右對齊，并且經(jīng)過符號擴展,。不同轉(zhuǎn)換模式下輸出代碼的格式如表3所列,。
2.2 時鐘振蕩器
MCP3421內(nèi)部包括時鐘振蕩器，該時鐘電路驅(qū)動△-∑調(diào)制器和數(shù)字濾波器工作。用戶可通過設置配置寄存器來選擇MCP3421的采樣速率為3.75,、15,、60或240sps。MCP3421不能采用外部調(diào)制器輸入時鐘,。
2.3 自校準
MCP3421集成了自校準電路,。自校準系統(tǒng)連續(xù)工作并不需要用戶干涉。MCP3421在每次轉(zhuǎn)換時進行失調(diào)電壓和增益的自校準,。這樣在溫度和電源電壓變化時仍可提供可靠的轉(zhuǎn)換結(jié)果,。
2.4 I2C串行接口
MCP3421通過I2C串行接口與主機進行通信。MCP3421只能作為從器件,，并提供8個可選I2C地址,。MCP3421的I2C接口支持標準(100 kbps)、快速(400kbps)和高速(3.4 Mbps)三種模式,，且與I2C總線協(xié)議完全兼容,。
用戶可通過I2C接口讀／寫MCP3421內(nèi)的配置寄存器，進而改變器件的工作模式并查詢器件的工作狀態(tài),。同時,，I2C接口也用于讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)代碼。設置配置寄存器的時序圖和18位模式下從MCP3421讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的時序圖略--編者注,。
3 MCP3421的應用
MCP3421可廣泛應用于各種需要低功耗和高精度A／D轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)中,，例如基于熱電偶或熱電阻的溫度測量，壓力或流量的測量等,。MCP3421在這些應用電路中連接非常簡單,。下面簡單介紹MCP3421的應用和連接。
3.1 與單片機的連接
MCP3421與具有I2C接口的單片機的連接方式非常簡單,。圖2所示的單片機測量系統(tǒng)中,，MCP3421與其他器件(EEPROM、溫度傳感器)等共享I2C總線,，并可以標準,、快速或高速三種模式與單片機進行通信。由于I2C總線是一種漏極開路驅(qū)動,，所以SCL和SDA線都需要上拉電阻,。上拉電阻的大小取決于總線的工作速率和總線電容。
3.2 輸入端連接
MCP3421提供全差分輸入,。外部輸入信號可連接到VIN+和VIN-輸入引腳,。差分輸入電壓VIN(VIN+-VIN-)被PGA放大后經(jīng)△-∑調(diào)制器轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼。MCP3421的輸入引腳不能連接負輸入電壓,。MCP3421差分輸入和單端輸入的連接如圖3所示,。在單端輸入時,，VIN-引腳連接到地，此時輸入信號范圍為0～2.048 V,。
3.3 MCP3421與熱電偶連接
MCP3421可以與各種不同的傳感器進行接口,。圖4為熱電偶溫度變送器的系統(tǒng)框圖。由于MCP3421內(nèi)部具有最高達8倍的PGA增益和2.048 V的電壓基準,，因而可以直接與K型等熱電偶連接。溫度補償通過采用外部的數(shù)字溫度傳感器(圖中為MCP9800)來實現(xiàn),。MCP321轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)和溫度傳感器檢測到的溫度值經(jīng)單片機計算和線性化處理后,，以電壓或4～20 mA電流環(huán)的方式傳送到其他控制系統(tǒng)。
在PGA增益=8且選擇18位分辨率時,，LSB=2×2.048 v／218=15.626μV,，完全可滿足毫伏(mV)級電壓輸出的熱電偶溫度測量要求?？梢?，利用高分辨率和低功耗的MCP3421 A／D轉(zhuǎn)換器和Microchip的單片機、溫度傳感器,、D／A轉(zhuǎn)換器很容易實現(xiàn)完整溫度變送器電路設計,。
結(jié) 語
△-∑A／D轉(zhuǎn)換器適合于高分辨力、低功耗的測量系統(tǒng)應用,。MCP3421作為一款18位分辨率,、高集成度、小型封裝的△-∑A／D轉(zhuǎn)換器,，可應用于溫度,、壓力、流量等工業(yè)控制,，以及測試／測量的應用中,。簡單、靈活的電路設計可以大大提高測量的精度和穩(wěn)定性,，并降低硬件成本,，提高產(chǎn)品的性價比。