TLV2544/2548多通道12位串行A/D轉(zhuǎn)換器的原理與應(yīng)用

1 概述

TLV2544/2548是TI公司生產(chǎn)的一組高性能12位低功耗/高速（3.6μs）CMOS模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它精度高，體積小、通道多，使用靈活，并具有采樣-保持功能，電源電壓為2.7V～5.5V。另外TLV2544/2548還個(gè)有3個(gè)輸入端和一個(gè)三態(tài)輸出端，可為最流行的微處理器串行端口（SPI）提供4線接口。當(dāng)與DSP連接時(shí)，可用一個(gè)幀同步信號(hào)（FS）來表明一個(gè)串行數(shù)據(jù)幀的開始。該器件除了具有高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器和多種控制功能外，還具有片內(nèi)模擬多路器，可選擇多部的模擬電壓或三個(gè)內(nèi)部自測(cè)試電壓中的任一個(gè)外部的模擬電壓或三個(gè)內(nèi)部自測(cè)試電壓中的任一個(gè)作為輸入。TLV2544/2548工作時(shí)的功耗非常低，而軟件/硬件/自動(dòng)關(guān)機(jī)模式以及可編程的轉(zhuǎn)換速度又進(jìn)一步增強(qiáng)了其低功耗的特點(diǎn)。同時(shí)它還具有內(nèi)置轉(zhuǎn)換時(shí)鐘（OSC）和電壓基準(zhǔn)，可以采用外部SCLK作為轉(zhuǎn)換時(shí)鐘源以獲取更高的轉(zhuǎn)換速度（在20MHz的SCLK時(shí)可高達(dá)3.6μs）。并有兩種不同的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓可供選擇。圖1和圖2分別是TLV2544/2548的功能方框圖和引腳排列，表1是其引腳說明。

表1 引腳說明

表2 TLV2544/TLV2548配置寄存器（CFR）的位定義

*這些位僅在10和11轉(zhuǎn)換模式中有效

        TLV2544/2548兩芯片的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)相同，不同之處就是前者的模擬輸入通道為4路，而后者為8路。下面以TLV2544為例為介紹。

2 工作原理

TLV2544有4路模擬輸入和3個(gè)內(nèi)部測(cè)試輸入端，它們可由模擬多路轉(zhuǎn)換器根據(jù)輸入的命令來選擇。輸入多路轉(zhuǎn)換器采用先開后合型，因?yàn)檫@可減少由通道切換引起的輸入噪聲。

TLV2544 的工作周期的開始模式有兩種：一種是當(dāng)不使用FS時(shí)（在CS的下降沿FS=1），CS的下降沿即為周期的開始。這時(shí)的輸入數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿移入，輸出數(shù)據(jù)下降沿改變。這種模式雖然也可用于DSP，但一般常用于SPI微控制器。另一種是當(dāng)使用FS時(shí)（FS是來自DSP的有效信號(hào)），F(xiàn)S的下降沿即為周期的開始，這時(shí)的輸入數(shù)據(jù)在SCLK的下降沿移入，輸出數(shù)據(jù)在其上升沿改變，這種模式一般用于TMS320系列的DSP。

TLV2544 具有一個(gè)4位命令集（存于命令寄存器CMR中）和一個(gè)12位配置數(shù)據(jù)域。大多數(shù)命令只需要前4個(gè)MSB，即不需要低12位數(shù)據(jù)。值得注意的是，器件在上電初始化時(shí)首先需要將將始化命令A(yù)000h寫入CFR配置寄存器，然后對(duì)器件進(jìn)行編程，其編程方法是在初始化命令A(yù)000h的低12位000h寫入編程數(shù)據(jù)以規(guī)定器件的工作方式。編程定義如表2所列，編程信息被保留在H/W或S/W的斷電狀態(tài)。當(dāng)器件被編程時(shí)，由微處理發(fā)送一個(gè)16位串行數(shù)據(jù)寫入CFR，如果在輸入了前8位后SCLK中斷，那么余下的8位則在SCLK被恢復(fù)后再輸入。一個(gè)讀CFR命令可讀出CFR的狀態(tài)，以校驗(yàn)寫入控制命令是否正確，其他控制命令可參見表3。

表3 TLV2544/TLV2548命令集

如果前高4位輸入數(shù)據(jù)被譯碼為轉(zhuǎn)換命令之一，那么采樣周期開始。一般有兩種采樣方式：正常采樣和擴(kuò)展采樣。正常采樣實(shí)際上是采用軟件啟動(dòng)A/D變換方式，當(dāng) A/D轉(zhuǎn)換器正常采樣時(shí)，采樣周期是可編程的，它可以是12SCLKs（短周期采樣）或24SCLKs（長(zhǎng)周期采樣）。當(dāng)SCLK高于10MHz或輸入源電阻較高時(shí)，長(zhǎng)周期采樣可使被采樣的輸入模擬信號(hào)達(dá)到0.5LSB的精度。如果正常采樣達(dá)不到所要求的A/D變換精度，則應(yīng)采用擴(kuò)展采樣，擴(kuò)展采樣采用硬件啟動(dòng)A/D變換，在引腳CSTART輸入一個(gè)寬度大于800ns的負(fù)脈沖信號(hào)后，A/D轉(zhuǎn)換開始。CSTART的下降沿即為采樣周期的開始，CSTART的上升沿是采樣周期的結(jié)束和轉(zhuǎn)換的開始。

3 TLV2544的轉(zhuǎn)換模式

TLV2544 具有四種轉(zhuǎn)換模式，分別為：?jiǎn)未文Ｊ?、重?fù)模式、掃描模式和重復(fù)掃描模式?？捎媚Ｊ?0、01、10、11表示。每種模式的工作稍有區(qū)別，這取決于轉(zhuǎn)換器如何采樣和采用哪一種接口。轉(zhuǎn)換的觸發(fā)信號(hào)可以采用有效CSTART（擴(kuò)展采樣）、CS（正常采樣、SPI接口）或FS（正常采樣，TMS320系列 DSP接口）模式。當(dāng)FS用作觸發(fā)信號(hào)時(shí)，CS可保護(hù)一直有效而不需要通過觸發(fā)順序跳轉(zhuǎn)。不同類型的觸發(fā)信號(hào)不應(yīng)在重復(fù)模式和掃描模式中混合使用。當(dāng) CSTART用作觸發(fā)信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)換開始于CSTART的上升沿。如果一個(gè)有效CS或FS用作觸發(fā)信號(hào)，則轉(zhuǎn)換將在第16個(gè)或第28個(gè)SCLK的邊沿開始。

TLV2544/2548 的工作時(shí)序分為二大類：轉(zhuǎn)換和無轉(zhuǎn)換。無轉(zhuǎn)換周期為讀和寫周期（配置），這些周期都不執(zhí)行轉(zhuǎn)換，而轉(zhuǎn)換周期有四種轉(zhuǎn)換模式的周期，圖3、圖4分別給出了 TLV2544/2548的CFR寫周期（FS=1）和模式00時(shí)單次擴(kuò)展采樣（使用FS信號(hào)，F(xiàn)S腳連至TMS320系列DSP）時(shí)序圖。

另外，TLV2544/2548還具有一個(gè)內(nèi)置基準(zhǔn)，其電平可編程為2V或4V。如果采用內(nèi)部基準(zhǔn)，REFP就被設(shè)為2V/4V，而REFM則設(shè)為0V。如果基準(zhǔn)源編程為外部，那么也可通過兩個(gè)基準(zhǔn)輸入腳REFP和REFM使用外部基準(zhǔn)。模擬輸入、外部基準(zhǔn)的最大或最小值不應(yīng)超過正電源或低于GND。正輸入信號(hào)等于或高于REFP時(shí)，數(shù)字輸入為滿度，而在輸入信號(hào)等于或低于REFM時(shí)為零。

器件的上電和初始化要求先通過向TLV2544/2548寫入A000h的方法確定處理器的類型，然后對(duì)器件進(jìn)行編程。器件在上電后或從斷電方式中恢復(fù)后的第一次轉(zhuǎn)換無效。

4 應(yīng)用

TLV2544 和微處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸最快和最有效的方法是用串行外設(shè)接口（SPI），但這要求微帶有SPI接口能力。對(duì)不帶SPI或類似接口能力的微處理器，需用軟件合成SPI操作來和TLV2544連接。圖5為TLV2544和單片機(jī)AT89C2051的接口電路，因?yàn)槭桥c微處理器連接，所以不用FS端（接至高電平）。該電路采用內(nèi)部基準(zhǔn)，REFP與REFM之間接0.1μF和10μF兩個(gè)退耦電容。TLV2544的SDI、SCLK、EOC/INT、CS端由單片機(jī)的雙向I/O口中的P1.3、P1.4、P1.5和P1.6提供。轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出（SDO）數(shù)據(jù)由口1的P1.2接收。電路使用擴(kuò)展采樣方式， CSTART端接P1.7，通過硬件來控制采樣與轉(zhuǎn)換。其接口軟件由一個(gè)主程序和一個(gè)子程序組成。主程序首先對(duì)P1口初始化，后對(duì)TLV2544進(jìn)行編程以確定的工作方式。子程序“SPI-IO”用來模擬SPI的I/O操作，SPI功能用累加器A和帶進(jìn)位的左循環(huán)移位指令（RLC）模擬SPI移位寄存器的操作來實(shí)現(xiàn)。程序如下：

ORG 0000H

AJMP START

ORG 0030H

START：MOV P1，#0FFH

MOV P3，#0FFH

CLR EA

CLR ET1

CLR P1.4

SETB P1.6

CONFIG：MOV R1，#0A0H

ACALL SPI_IO

MOV R1，#00H

ACALL SPI_IO

SETB P1.6

MOV R1，#10101000B；

ACALL SPI_IO

MOV R1，#00000000B

ACALL SPI_IO

SETB P1.6

S/R：MOV R1，#ACALL SPI_IO

RESULT

MOV R1，#00H

ACALL SPI_IO

MOC R3，A；LOW BYTE RESULT

SETB P1.6

NOP

CLR P1.7/CSTART LOW，START SAMPLING

MOV R6，#08H

DELAY：NOP

NOP

NOP

DJNZ R6，DELAY

SETB P1.7；

JB P1.5，$；/INT

SETB P1.6

·

·對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果的處理

·

AJMP S/R

SPI_IO；CLR P1.6

CLR P1.4

MOV R0，#08H

MOV A，R1

SPI_IO1：MOV C，P1.2

RLC A

MOV P1.3,C

SETB P1.4

CLR P1.4

DJNZ R0,SPI_IO1

RET