概 述 在工業自動化控制以及測試、測量系統中都需要利用A/D轉換器將外部物理量轉換成數字量。D-S ADC與傳統的逐次逼近型和積分型ADC相比，具有轉換無償小、價格便宜等特點，常被用來測量低速、轉換精度要求高的傳感器信號。 Microchip公司的MCP3421與其它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240SPS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2.048V±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。 MCP3421封裝形式與結構 MCP3421是Microchip公司D-S A/D轉換器系列的一款18位分辨率器件，它采用SOT23-6封裝，圖1（a）為MCP342封裝和引腳分布，圖1（b）為其內部功能框圖。MCP342內部采用了Microchip專利的差分開關電容D-S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2.7V至5.5V單電源下電壓工作，并消耗很低的電流，在VDD=3V、單次轉換、1SPS條件下，電流消耗僅為39uA（典型值）。 [align=center] 圖1（a）MCP3421封裝和引腳分布圖[/align] [align=center] 圖1（b）MCP3421內部功能框圖[/align] MCP3421的工作原理 MCP3421為一個全差分、18位分辨率具自校正功能的D-S A/D轉換器，內部包括D-S轉換器、可編程增益放大器、時鐘發生器和I2C接口，以及2.048V電壓基準源五大部分（參考圖１（b））。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。 D-S轉換器 MCP3421 D-S A/D轉換器采用Microchip專利的差分開關電容D-S轉換及數字濾波技術，包括一個差分開關電容D-S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2.048V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間的電壓差成正比。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1所示。 MCP3421輸出代碼采用二進制補碼的形式，最大的n位代碼為，而最小的n位代碼為。MCP3421輸出的所有代碼均右對齊，并且經過符號擴展。 表2 為不同轉換模式下輸出代碼的格式： [align=center] 表1 最小代碼和最大代碼[/align] [align=center] 表2 不同轉換下輸出不同代碼格式[/align] 時鐘振蕩器 MCP3421內部包括時鐘振蕩器，該時鐘電路驅動D-S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。 自校準 MCP3421集成了自校準電路。自校準系統連續工作并不要用戶干涉。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。 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（100Kbits/sec）,快速（400Kbits/sec），高速（3.4Mbits/sec）三種模式，并于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。圖2為設置配置寄存器的時序圖。圖3為18位模式下從MCP3421讀取轉換數據的時序圖。 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。MCP3421在這些應用電路中連接非常簡單。以下部分簡單介紹MCP3421的應用和連接。 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。如圖4所示的單片機測量系統中，MCP3421與其它器件（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。 [align=center] 圖4 MCP3421通過IC總線與單片機和其他器件連接[/align] 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D-S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5 所示。在單端輸入時，VIN-引腳連接到地，此時輸入信號范圍為0V至2.048V。 [align=center] 圖5 MCP3421輸入端連接示意圖[/align] MCP3421與熱電偶連接 MCP3421可以與各種不同的傳感器進行接口。圖6為熱電偶溫度變送器的系統框圖。由于MCP3421內部具有最大達8倍的PGA增益和2.048V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4-20mA電流環的方式傳送到其它控制系統。 [align=center] 圖6 基于MCP3421溫度變送器設計[/align] 在PGA增益=8和選擇18位分辨率時，完全可滿足毫伏（mV）級電壓輸出的熱電偶溫度測量要求。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轉換器很容易地實現完整溫度變送器電路設計。 結 語 D-S 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D-S A/D轉換器，可以應用于溫度、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。 參考文獻： 1. Microchip Technology.18-Bit Analog-to-Digital Converter with I2C Interface and On-Board Reference. DS22003B 2. Microchip Technology.MCP3421 SOT-23-6 Evaluation Board User誷 Guide.