12位串行A/D轉(zhuǎn)換器的原理及應(yīng)用開發(fā)

<STRONG>摘要：介紹MAXl224，MAxl225系列12位串行模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，該系列器件具有低功耗、高速、串行輸出等特點(diǎn)。詳細(xì)描述MAX1224/MAX1225的功能、原理和使用方法，給出在AT89C51型單片機(jī)控制下該系列A/D轉(zhuǎn)換器在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用及電路連接方法。
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(gè)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(dòng)態(tài)范圍；同時(shí)，具有標(biāo)準(zhǔn)SPITM/QSPITM/MI-CROWWIRETM接口提供轉(zhuǎn)換所需的時(shí)鐘信號(hào)，可以方便地與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)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(gè)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(gè)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(hào)轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字輸出信號(hào)。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(jiǎn)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(gè)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(hào)所需的時(shí)間取決于其輸入電容器的充電速度。如果輸入信號(hào)源的阻抗較高，那么采樣時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)。

3．2輸入帶寬
    ADC的輸入采樣電路具有15MHz的小信號(hào)帶寬，使其能夠數(shù)字化高速瞬變信號(hào)，以及通過使用欠采樣技術(shù)測(cè)量帶寬超過ADC采樣速率的周期信號(hào)。為了避免高頻干擾信號(hào)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(dòng)轉(zhuǎn)換
    在初始上電后，MAX1224/MAX1225要求1個(gè)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(dòng)1次轉(zhuǎn)換。在CNVST信號(hào)的下降沿，采樣/保持器進(jìn)入其保持模式，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換過程。SCLK提供轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，數(shù)據(jù)隨后從DOUT串行移出。

3．4時(shí)序與控制
    啟動(dòng)轉(zhuǎn)換和讀數(shù)據(jù)操作由CNVST和SCLK端的數(shù)字輸入信號(hào)控制。圖3示出時(shí)序關(guān)系，描述串行接口的工作方式。

    CNVST的下降沿啟動(dòng)1次轉(zhuǎn)換時(shí)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(dòng)轉(zhuǎn)換進(jìn)程，并串行輸出每個(gè)轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)位。

    在第4個(gè)SCLK上升沿之后，SCLK開始移出數(shù)據(jù)。在每個(gè)SCLK上升沿的tDOUT之后，DOUT輸出才有效，并且在下1個(gè)上升沿之后，還將保持4ns(tp-HOLD)的有效時(shí)間。第4個(gè)時(shí)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(gè)上升沿之后保持4ns的有效時(shí)間。由于共有12個(gè)數(shù)據(jù)位和3個(gè)引導(dǎo)零位，所以至少需要16個(gè)時(shí)鐘上升沿移出所有位。為了連續(xù)工作，需要在第14個(gè)和第16個(gè)SCLK上升沿之間將CNVST拉高。如果CNVST信號(hào)在第16個(gè)SCLK周期的下降沿保持低電平，DOUT端會(huì)在CNVST的上升沿或者下1個(gè)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(huì)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(hào)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(jì)原理
    在測(cè)控系統(tǒng)中經(jīng)常要用到A/D轉(zhuǎn)換器。當(dāng)被檢測(cè)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(shí)，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(huì)限制系統(tǒng)I/O口功能的擴(kuò)展，這時(shí)采用串行ADC比較適合。另外，由于是便攜式測(cè)量?jī)x器，所以要求功耗較低；為了減少硬件設(shè)計(jì)，多路采集信號(hào)都經(jīng)過同一個(gè)ADC進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。

    根據(jù)以上要求，筆者在溫度顯示儀的設(shè)計(jì)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(jì)。溫度顯示儀的主要功能是完成實(shí)時(shí)溫度循環(huán)顯示功能，它主要用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的加熱爐及具有較高溫度的場(chǎng)合，它的測(cè)溫范圍是O℃～1200℃，誤差要求小于±5℃。所設(shè)計(jì)的溫度顯示儀要求具有4路溫度檢測(cè)通道，由熱電偶采集現(xiàn)場(chǎng)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(cè)到的微小信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)锳DC可轉(zhuǎn)換的信號(hào)。溫度顯示儀系統(tǒng)原理如圖4所示。

4．2 實(shí)用電路
    設(shè)計(jì)要求4路溫度檢測(cè)通道和l路冷端補(bǔ)償電路，所以本設(shè)計(jì)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(hào)采集電路的設(shè)計(jì)，由于AT89C51單片機(jī)可以通過軟件對(duì)模擬信號(hào)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(shí)，要使用軟件來模擬3線制串行總線的操作，包括串行時(shí)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(shí)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(dòng)端CNVST與單片機(jī)的P11腳相連．串行時(shí)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(hào)啟動(dòng)，由SCLK信號(hào)提供時(shí)鐘，而轉(zhuǎn)換結(jié)果由SCLK信號(hào)從DOUT引腳串行輸出。當(dāng)SCLK信號(hào)處于空閑的低電平或者高電平，CNVST信號(hào)的下降沿啟動(dòng)1次轉(zhuǎn)換，這使模擬輸入級(jí)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(gè)SCLK周期，如果CNVST信號(hào)在第16個(gè)SCLK信號(hào)下降沿期間保持低電平，DOUT引腳會(huì)在下1個(gè)CNVST或者SCLK的上升沿返回至高阻態(tài)，以使多個(gè)器件共享該串行接口。如果CNVST信號(hào)在第14個(gè)SCLK上升沿之后并在第16個(gè)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(shí)，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(jì)中，應(yīng)用MAX1224/MAX1225完全能夠適應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)采樣頻率要求不是特別高的應(yīng)用場(chǎng)合，并且使用方便。由于MAXl224/MAXl225的外部接口電路簡(jiǎn)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(jì)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(jiǎn)便，實(shí)用價(jià)值高。