Microchip公司的MCP3421與其他A／D轉換器相比，特點主要表現在：全差分輸入；18位分辨率；精密的連續自校準功能；可選擇3.75、15、60或240 sps采樣速率進行轉換；可工作在連續轉換或單次轉換模式，在單次轉換后的空閑期內自動進入待機模式，極大地減小了電流消耗；內部集成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封裝形式與結構

MCP3421是Microchip公司△-∑A／D轉換器系列的一款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內部采用了Microchip專利的差分開關電容△-∑轉換及數字濾波技術，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、單次轉換、1 sps條件下，電流消耗僅為39μA(典型值)。其內部功能框圖略--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轉換器，內部內部包括△-EA／D轉換器、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果。

2.1 △-∑A／D轉換器

MCP3421△-∑A／D轉換器包括一個差分開關電容△-∑調制器和一個數字濾波器。調制器測量差分模擬輸入電壓(經內部PGA放大)，并將其與內部電壓基準相比較。MCP3421內部集成了2.048 V電壓基準。數字濾波器從調制器接收到高速數據流，經數字濾波器處理后輸出一個數字代碼。MCP3421輸出的數字代碼是PGA增益、輸入信號和內部電壓基準的函數。在固定配置下，輸出數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目范圍內，該范圍取決于代表輸出碼所需的位數，同時也與采用的轉換速率有關，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，并且經過符號擴展。不同轉換模式下輸出代碼的格式如表3所列。

 

2.2 時鐘振蕩器

MCP3421內部包括時鐘振蕩器，該時鐘電路驅動△-∑調制器和數字濾波器工作。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。自校準系統連續工作并不需要用戶干涉。MCP3421在每次轉換時進行失調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換結果。

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總線協議完全兼容。

用戶可通過I2C接口讀／寫MCP3421內的配置寄存器，進而改變器件的工作模式并查詢器件的工作狀態。同時，I2C接口也用于讀取轉換后的數據代碼。設置配置寄存器的時序圖和18位模式下從MCP3421讀取轉換數據的時序圖略--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轉換器的系統中，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△-∑調制器轉換成數字代碼。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框圖。由于MCP3421內部具有最高達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字溫度傳感器(圖中為MCP9800)來實現。MCP321轉換后的數據和溫度傳感器檢測到的溫度值經單片機計算和線性化處理后，以電壓或4～20 mA電流環的方式傳送到其他控制系統。

 

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轉換器和Microchip的單片機、溫度傳感器、D／A轉換器很容易實現完整溫度變送器電路設計。

結 語

△-∑A／D轉換器適合于高分辨力、低功耗的測量系統應用。MCP3421作為一款18位分辨率、高集成度、小型封裝的△-∑A／D轉換器，可應用于溫度、壓力、流量等工業控制，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定性，并降低硬件成本，提高產品的性價比。