12位串行A/D轉(zhuǎn)換器的原理及應(yīng)用開發(fā)
關(guān)鍵詞：模，數(shù)轉(zhuǎn)換器；MAXl224/MAXl225；數(shù)據(jù)采集；應(yīng)用
1 引言
MAXl224/MAXl225系列12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)具有低功耗、高速、串行輸出等特點(diǎn)，其采樣速率最高可達(dá)1．5Ms/s，在+2．7V至+3．6V的單電源下工作，需要1個外部基準(zhǔn)源；可進(jìn)行真差分輸入，較單端輸入可提供更好的噪聲抑制、失真改善及更寬的動態(tài)范圍；同時，具有標(biāo)準(zhǔn)SPITM/QSPITM/MI-CROWWIRETM接口提供轉(zhuǎn)換所需的時鐘信號，可以方便地與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號處理器(DSP)的同步串行接口連接。
MAX1224允許單極性模擬輸入，MAX1225允許雙極性模擬輸入。該系列轉(zhuǎn)換器可運(yùn)行于局部關(guān)斷模式和完全關(guān)斷模式，能夠?qū)?次轉(zhuǎn)換之間的電源電流分別降低至1mA(典型值)和1μA(最大值)；具有1個獨(dú)立的電源輸入，可直接與+1．8V到VDD的數(shù)字邏輯接口。此外，該系列還具有轉(zhuǎn)換速度高、交流性能好和直流準(zhǔn)確度高等特性。
MAX1224/MAX1225的主要特點(diǎn)如下：
●1．5Ms/s采樣速率；
●功耗僅18mW(典型值)；
●關(guān)斷電流僅1μA(最大值)；
●高速、SPI兼容、3線串行接口；
●525kHz輸入頻率下69dB的S/(N+D)；
●內(nèi)部真差分采樣，保持(T/H)；
●外部基準(zhǔn)源；
●無流水線延遲。
2 封裝及引腳功能
MAXl224/MAXl225采用小巧的12引腳TQFN封裝，其引腳排列如圖1所示。各個引腳的功能如表l所示。
3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理
MAX1224/MAX1225采用輸入采樣，保持和逐次逼近寄存器(SAR)電路，將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字輸出信號。串行接口僅需要3條連接線(SCLK、CNVST和DOUT)，提供了與微處理器(μP)和DSP的便利連接。圖2給出簡化的MAX1224/MAX1225內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
3．1真差分模擬輸入采樣/保持器
MAXl224/MAXl225的輸入結(jié)構(gòu)由采樣/保持器、比較器及開關(guān)型數(shù)，模轉(zhuǎn)換器(DAC)構(gòu)成。在上次轉(zhuǎn)換的第14個SCLK上升沿，采樣，保持器進(jìn)入其采樣模式。一旦上電，采樣/保持器就立即進(jìn)入其采樣模式。輸入電容器正極連接至AIN+，輸入電容器負(fù)極與AIN-相連。在CNVST的下降沿采樣/保持器進(jìn)入保持狀態(tài)，轉(zhuǎn)換正負(fù)輸入之間采樣的差值。采樣／保持器采集輸入信號所需的時間取決于其輸入電容器的充電速度。如果輸入信號源的阻抗較高，那么采樣時間會延長。
3．2輸入帶寬
ADC的輸入采樣電路具有15MHz的小信號帶寬，使其能夠數(shù)字化高速瞬變信號，以及通過使用欠采樣技術(shù)測量帶寬超過ADC采樣速率的周期信號。為了避免高頻干擾信號進(jìn)入有用的頻段，建議采用抗混疊濾波器。
3．3上電初始化與啟動轉(zhuǎn)換
在初始上電后，MAX1224/MAX1225要求1個完整的轉(zhuǎn)換周期，以初始化內(nèi)部校準(zhǔn)電路。完成初始化轉(zhuǎn)換之后，準(zhǔn)備好正常工作。僅在硬件上電后，需要進(jìn)行初始化，而在退出局部關(guān)斷模式或者完全關(guān)斷模式之后并不需要。CNVST拉低將啟動1次轉(zhuǎn)換。在CNVST信號的下降沿，采樣/保持器進(jìn)入其保持模式，啟動轉(zhuǎn)換過程。SCLK提供轉(zhuǎn)換時鐘，數(shù)據(jù)隨后從DOUT串行移出。
3．4時序與控制
啟動轉(zhuǎn)換和讀數(shù)據(jù)操作由CNVST和SCLK端的數(shù)字輸入信號控制。圖3示出時序關(guān)系，描述串行接口的工作方式。
CNVST的下降沿啟動1次轉(zhuǎn)換時序：采樣，保持器保持輸入電平，ADC開始轉(zhuǎn)換，DOUT從高阻態(tài)變?yōu)檫壿嫷碗娖?。SCLK用于驅(qū)動轉(zhuǎn)換進(jìn)程，并串行輸出每個轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)位。
在第4個SCLK上升沿之后，SCLK開始移出數(shù)據(jù)。在每個SCLK上升沿的tDOUT之后，DOUT輸出才有效，并且在下1個上升沿之后，還將保持4ns(tp-HOLD)的有效時間。第4個時鐘上升沿在DOUT引腳輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果的MSB位，并且MSB在第5個上升沿之后保持4ns的有效時間。由于共有12個數(shù)據(jù)位和3個引導(dǎo)零位，所以至少需要16個時鐘上升沿移出所有位。為了連續(xù)工作，需要在第14個和第16個SCLK上升沿之間將CNVST拉高。如果CNVST信號在第16個SCLK周期的下降沿保持低電平，DOUT端會在CNVST的上升沿或者下1個SCLK上升沿變?yōu)楦咦钁B(tài)。
3．5局部關(guān)斷模式和完全關(guān)斷模式
將MAX1224/MAX1225設(shè)置為局部關(guān)斷模式或者完全關(guān)斷模式，會顯著降低器件的功耗。局部關(guān)斷模式尤其適合于數(shù)據(jù)采樣次數(shù)少且要求快速喚醒的應(yīng)用。完全關(guān)斷模式適合于數(shù)據(jù)采樣次數(shù)少和要求極低電源電流的應(yīng)用。在局部，完全關(guān)斷模式下，應(yīng)保持SCIK信號邏輯低電平或者邏輯高電平，以盡可能降低功耗。
4 典型應(yīng)用電路
4．1 設(shè)計原理
在測控系統(tǒng)中經(jīng)常要用到A/D轉(zhuǎn)換器。當(dāng)被檢測的模擬量是溫度和壓力等低速采樣而需要控制的引腳又比較多時，采用并行ADC并不是最適合、最經(jīng)濟(jì)的方案。由于單片機(jī)往往要控制比較多的I/O口，因此使用并行ADC會限制系統(tǒng)I/O口功能的擴(kuò)展，這時采用串行ADC比較適合。另外，由于是便攜式測量儀器，所以要求功耗較低；為了減少硬件設(shè)計，多路采集信號都經(jīng)過同一個ADC進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換。
根據(jù)以上要求，筆者在溫度顯示儀的設(shè)計中以AT89C51型單片機(jī)為核心，采用MAX1224型12位串行A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成采樣模塊進(jìn)行電路設(shè)計。溫度顯示儀的主要功能是完成實時溫度循環(huán)顯示功能，它主要用于工業(yè)現(xiàn)場中的加熱爐及具有較高溫度的場合，它的測溫范圍是O℃～1200℃，誤差要求小于±5℃。所設(shè)計的溫度顯示儀要求具有4路溫度檢測通道，由熱電偶采集現(xiàn)場溫度，并由冷端補(bǔ)償電路進(jìn)行補(bǔ)償，再由前置放大電路將檢測到的微小信號轉(zhuǎn)變?yōu)锳DC可轉(zhuǎn)換的信號。溫度顯示儀系統(tǒng)原理如圖4所示。
4．2 實用電路
設(shè)計要求4路溫度檢測通道和l路冷端補(bǔ)償電路，所以本設(shè)計采用MCP6S26型6通道增益可編程放大器，該放大器特別適用于多路信號采集電路的設(shè)計，由于AT89C51單片機(jī)可以通過軟件對模擬信號電路進(jìn)行控制，所以其適應(yīng)性和靈活性大大提高。但是，由于AT89C51型單片機(jī)沒有3線制串行總線接口，它與MCP6S26進(jìn)行3線制串行總線的連接時，要使用軟件來模擬3線制串行總線的操作，包括串行時鐘數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出。McP6S26與AT89C51的連接如圖5所示。圖中，P17模擬片選 端CS，P14模擬時鐘輸入端SCK，P16模擬數(shù)據(jù)輸入端SI，P15模擬數(shù)據(jù)輸出端SO。
MAX1224與AT89C51型單片機(jī)的接口電路如圖5所示。MAX1224的DOUT與單片機(jī)的P10腳相連，MAX1224的轉(zhuǎn)換啟動端CNVST與單片機(jī)的P11腳相連．串行時鐘輸入SCLK端可由P12腳依次發(fā)出高低電平來構(gòu)成。轉(zhuǎn)換過程如下：模/數(shù)轉(zhuǎn)換由CNVST信號啟動，由SCLK信號提供時鐘，而轉(zhuǎn)換結(jié)果由SCLK信號從DOUT引腳串行輸出。當(dāng)SCLK信號處于空閑的低電平或者高電平，CNVST信號的下降沿啟動1次轉(zhuǎn)換，這使模擬輸入級由采樣模式轉(zhuǎn)換為保持模式，DOUT引腳由高阻態(tài)變?yōu)榈碗娖?。完?次正常的轉(zhuǎn)換需要16個SCLK周期，如果CNVST信號在第16個SCLK信號下降沿期間保持低電平，DOUT引腳會在下1個CNVST或者SCLK的上升沿返回至高阻態(tài)，以使多個器件共享該串行接口。如果CNVST信號在第14個SCLK上升沿之后并在第16個上升沿之前拉為高電平，DOUT引腳保持有效，以便進(jìn)行連續(xù)的轉(zhuǎn)換，當(dāng)器件執(zhí)行連續(xù)轉(zhuǎn)換時，可具有最高的數(shù)據(jù)吞吐率。
5 結(jié)束語
在溫度顯示儀硬件系統(tǒng)的設(shè)計中，應(yīng)用MAX1224/MAX1225完全能夠適應(yīng)對數(shù)據(jù)采樣頻率要求不是特別高的應(yīng)用場合，并且使用方便。由于MAXl224/MAXl225的外部接口電路簡單，其串行接口也易于與單片機(jī)連接，而且占用單片機(jī)口線少，所以設(shè)計和調(diào)試都非常容易。由此可以看出，該系列器件性能優(yōu)良、功耗低、精度高、可靠性好、接口簡便，實用價值高。
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