摘要：MAXll48是Maxim公司2005年最新推出的14位串行模／數(shù)轉(zhuǎn)換器。文中介紹了MAXll48的特點、結(jié)構(gòu)和工作原理，給出了它在8位CPU為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應用實例。

    關(guān)鍵詞：模數(shù)轉(zhuǎn)換器；MAXll48：串行

1 概述

模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是現(xiàn)代測控中非常重要的環(huán)節(jié)。它有并行和串行兩種數(shù)據(jù)輸出形式。并行ADC雖然數(shù)據(jù)傳輸速度快，但有引腳多、體積大、占用微處理器接口多的缺點；而串行ADC的傳輸速率目前已經(jīng)可以做得很高，并且具有體積小、功耗低、占用微處理器接口少的優(yōu)點。因此，串行ADC的應用越來越廣泛。

MAXll48是Maxim公司最新推出的一種真差分、8通道、14位逐次逼近、串行輸出模／數(shù)轉(zhuǎn)換器。處理器接口多的缺點；而串行ADC的傳輸速率目前 該器件具有轉(zhuǎn)換速率高、功耗低、接口方便的優(yōu)點，特別適用于工業(yè)過程控制、高精度數(shù)據(jù)采集、便攜式數(shù)字儀表、醫(yī)療儀器等領(lǐng)域。

2 MAX1148的特點和結(jié)構(gòu)

2.1 MAX1148的特點

● 8路單端或4路差分輸入（內(nèi)置多路模擬開關(guān)，由軟件設(shè)置）。

● 單極性模式時輸出為二進制模式；

雙極性模式時輸出為二的補碼格式，1LSB=（VREF/2N）；

數(shù)據(jù)在SCLK下降沿同步輸出，MSB先出。

● 5V±5%單電源。

● 內(nèi)部基準電壓+4.096V或外接基準。

● 采樣速率：(116ksps)；

120Aμ(10ksps)；

12Aμ(1ksps)；

300Aμ(關(guān)斷模式)。

● 內(nèi)置T/H（跟蹤/保持）電路。

● 內(nèi)部時鐘或外部串行時鐘（頻率范圍為0.1MHz~2.1MHz），可通過設(shè)置控制字中的PD1、PD0位進行選擇。

● 提供一個硬關(guān)斷（將SHDN引腳置低）和兩個軟關(guān)斷（通過編程設(shè)置控制字中的PD1、PD0位來實現(xiàn)）模式。

● 與SPI/QSPI/MICROWIRE接口兼容。

2.2 MAX1148的結(jié)構(gòu)

MAX1148采用14位逐次逼近寄存器（SAR）和輸入跟蹤/保持（T/H）電路，實現(xiàn)將模擬信號轉(zhuǎn)換成14位數(shù)字信號，并用串行方式輸出的功能，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

MAX1148采用20引腳的功能如下：

● CH0-CH7(1-8)：模擬輸入端。

● COM(9)：公共輸入端。單端模式下為模擬負輸入。單極性和雙極性模式下，當轉(zhuǎn)換器輸入不為0，而希望轉(zhuǎn)換結(jié)果為0時，需在該端輸入相應模擬電壓。

● SHDN（10）：關(guān)斷輸入，低電平有效。當SHDN置低時，轉(zhuǎn)換器進入硬關(guān)斷模式，轉(zhuǎn)換立即中止。

● REF（11）：內(nèi)部基準電壓輸出或外部基準電壓輸入，它是模數(shù)轉(zhuǎn)換的基準電壓。該電壓決定了ADC輸入范圍和滿量程輸出值。

MAX1148含有一個內(nèi)部1.25V帶隙基準，通過一個2kΩ電阻接至基準緩沖器并引至REFADJ引腳。由于MAX1148的基準緩沖器具有3.277V/V的增益，所以基準緩沖器輸出引腳 REF直的電壓為4.096V，作為內(nèi)部基準電壓使用。

如果使用外部基準電壓，則有兩種使用方式：

（1）禁止內(nèi)部基準緩沖（將REFADJ端與VDD端直接相連)，將外部基準電壓(1.5V至VDD+50mV，輸出電流大于210μA)接至REF端即可(如圖3所示)。

(2)將外部基準電壓連至REFADJ端，通過內(nèi)部基準緩沖器，在REF引腳得到幅度為外部基準電壓乘以基準緩沖器增益3.277后的SAR ADC基準電壓(如圖4所示)需要注意的是，在REF引測得的基準電壓值必須在1．5V至VDD+50mV之間。

●REFADJ(12)：帶隙基準輸出和基準緩沖器輸入。REFADJ連至VDD時禁止內(nèi)部帶隙基準和基準緩沖放大器，其用法如前所述。

●AGND(13)：模擬地。

●DGND(14)：數(shù)字地。

●DOIJT(15)：串行數(shù)據(jù)輸出。CS置低時，數(shù)據(jù)在SCLK下降沿同步輸出。CS置高時，DOUT為高阻態(tài)。

●SsTRB(16)：串行觸發(fā)輸出，反映了ADC轉(zhuǎn)換狀態(tài)。

在內(nèi)部時鐘模式下，ADC轉(zhuǎn)換開始時，SSTRB由高變低，轉(zhuǎn)換完成后，SSTRB由低變高并保持兩個SCLK時鐘周期為高電平。從第三個SCLK時鐘周期開始，DOUT輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。

在外部時鐘模式下，ADC轉(zhuǎn)換開始時，SSTRB由低變高并保持兩個SCLK時鐘周期的高電平。從第三個SCLK時鐘周期開始，在進行ADC轉(zhuǎn)換的同時，DOUT輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。置高時，SSTRB為高阻。

●DIN(17)：串行數(shù)據(jù)輸入，用于輸入控制字。CS置低時，數(shù)據(jù)在SCIK上升沿同步輸入。CS置高時，DIN為高阻態(tài)。

●CS(18)：片選輸入，低電平有效。只有CS置低時，數(shù)據(jù)才可同步輸入(DIN)或輸出(DOUT)。

●SCLK(19)：串行時鐘輸入，是數(shù)據(jù)同步輸入或輸出的移位信號。在外部時鐘模式下，無論是SCLK還是ADC轉(zhuǎn)換時鐘．都決定了轉(zhuǎn)換速率(SCLK的占空比必須在40％至60％之間)。

●VDD(20)：電源輸入。用0.1μF電容器接至AGND。

3 工作原理

3.1控制字格式

在啟動MAXll48進行A／D轉(zhuǎn)換之前．必須先由SCLK將控制字從DIN端送入其內(nèi)部輸入移位寄存器，以決定其工作模式并啟動轉(zhuǎn)換。

3.2時鐘模式

MAXll48可用外部串行時鐘或內(nèi)部時鐘兩種模式來完成逐次逼近轉(zhuǎn)換。但是，不管哪種模式，數(shù)據(jù)的移人和移出都要由外部時鐘SCLK來完成。

在外部時鐘模式下，通過外部時鐘SCLK控制數(shù)據(jù)的移入和移出，同時SCLK還是模數(shù)轉(zhuǎn)換時鐘。在控制字的最后一位移人后，SSTRB由低變高并在保持兩個SCLK時鐘周期的高電平后變低。其后14個SCLK的每一個下降沿決定逐次逼近轉(zhuǎn)換結(jié)果每位的值，并在DOUT端輸出。需要注意的是，每次模數(shù)轉(zhuǎn)換都必須在較短時間內(nèi)完成，以避免采樣保持電容器上的壓降對轉(zhuǎn)換結(jié)果帶來的影響。如果外部串行時鐘SCLK的頻率低于100kHz。或者由于串行時鐘的不連續(xù)使得轉(zhuǎn)換時間超過140μs，建議使用內(nèi)部時鐘模式。

在內(nèi)部時鐘模式時，MAXll48自身產(chǎn)生轉(zhuǎn)換時鐘，并允許微處理器以小于2.1MHz的時鐘頻率讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。在控制字的最后一位移入后，SSTRB由高變低，待轉(zhuǎn)換完成后由低變高，完成一次轉(zhuǎn)換的時間最長為8.0μs。在整個轉(zhuǎn)換期間，為了得到最佳的噪聲性能，SCLK應保持低電平。在SSTRB變?yōu)楦唠娖街?從第二個SCLK開始的每一個SCLK下降沿，在DOUT端由高到低依次輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果的各位的值。

3.3 A／D轉(zhuǎn)換過程

MAXll48在時鐘脈沖的作用下進行逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換，一般每24個時鐘周期完成一次轉(zhuǎn)換和讀出操作。內(nèi)部時鐘模式與外部時鐘模式的時序如圖5、圖6所示。

A／D轉(zhuǎn)換速度要求不是很高時，常選用內(nèi)部時鐘模式?，F(xiàn)以內(nèi)部時鐘模式為例說明MAXll48的工作過程：

首先根據(jù)系統(tǒng)要求確定MAXll48的控制字，例如，需轉(zhuǎn)換0通道的單端單極性模擬量，控制字為8EH。然后向MAXll48輸入控制字并讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，其步驟為：

(1)使片選端CS變?yōu)榈碗娖讲⒈３植蛔儯藭rDOUT處于低電平，SSTRB處于高電平；

(2)在DIN輸入端由高到低依次輸入控制字各位的值。

具體做法是：首先使DIN端為高電平(輸入“l(fā)”)，在第一個SCLK的上升沿將DIN的第一位數(shù)據(jù)“l(fā)”移入內(nèi)部移位寄存器中。即移入START開始位：以此類推，在后面7個SCIJK的上升沿分別將輸入DIN端的控制字其他位移入內(nèi)部移位寄存器中；

(3)當控制字的最后一位數(shù)據(jù)被移入之后(第8個SCLK的下降沿)，轉(zhuǎn)換開始，SSTRB由高變低；

(4)經(jīng)tcoNv之后，A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束，SSTRB由低變高。

(5)在轉(zhuǎn)換結(jié)束后的任何時刻，通過SCLK時鐘將移位寄存器中的轉(zhuǎn)換結(jié)果(14位二進制數(shù))由DOUT端同步移出。具體做法是：從SSTRB置高后的第二個SCLK時鐘的下降沿開始，利用SCLK時鐘逐一將轉(zhuǎn)換后的結(jié)果從DOUT端移出，最高有效位在前。

圖5、6

4 MAXll48的應用舉例

MAXll48通過DIN、DOUT、SCLK、SSTRB和CS5個信號與微處理器連接，其中，SSTRB是反映ADC轉(zhuǎn)換狀態(tài)的標志．可以用查詢方式和中斷方式監(jiān)視此信號，以決定何時讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。如果是外部時鐘模式或內(nèi)部時鐘模式中的軟件延時，此信號可以空置不用。MAXll48與8位微處理器的典型連接如圖7所示。

下面給出內(nèi)部時鐘模式下完整的轉(zhuǎn)換和控制程序(轉(zhuǎn)換結(jié)果在30H和31H中)，以供參考：

START：CLR P1-3 ：SCLK為低電平

CLR P1.0 ：片選有效

MOV A,#lXXXXXl0B ：控制字送A

MOV R1,#08H ：輸入控制字位數(shù)

LPl：MOV C，ACC.7 ：取控制字并送至DIN端口

MOV P1.1，C

SETB P1.3 ；DIN端口數(shù)據(jù)移入內(nèi)部移

位寄存器

CLR P1.3

RL A ：控制字移位

DJNZ R1，LPl

LP2：JNB P1.4，LP2 ；檢測SSTRB，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束

SETB P1.3

CLR P1.3

CLR A

MOV R1，#06H ；讀入高6位數(shù)據(jù)

LP3：RL A

SETB P1.3

CLR P1.3

MOV C，P1.2

MOV ACC.0，C

DJNZ R1，LP3

．MOV 30H,A

MOV R1，#08H ；讀入低8位數(shù)據(jù)

LP4：RL A

SETB P1.3

CLR P1.3

MOV C,P1.2

MOV ACC.0,C

DJNZ R1，LP4

MOV 31H,A

STAY：SJMP STAY

END

外部時鐘模式編程與內(nèi)部時鐘模式基本相似， 只需把控制字改為#1XXXXXllB，并刪除上述程序中標號為U)2的程序行即可。

5 結(jié)束語

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，各種串行接口電路的應用越來越多．如串行A／D、D／A及各種接口電路等。與一般ADC器件相比，MAXll48具有單電源供電、自帶內(nèi)部基準電壓、轉(zhuǎn)換精度高、外圍電路簡單、占用微處理器口線少、易于連接等優(yōu)點，適用于較復雜的測控系統(tǒng)。