14位串行A/D轉(zhuǎn)換器MAX194的特性及應(yīng)用

在一些實時數(shù)據(jù)采集與信息處理電路中，要滿足數(shù)據(jù)采集的精度和速度要求，以必須采用分辨率高，轉(zhuǎn)換速度快的AD轉(zhuǎn)換器。MAX194是一種性能優(yōu)越的高精度、帶采樣保持的高速度十四位串行AD轉(zhuǎn)換器。筆者在課題實踐中應(yīng)用了MAX194芯片取得了很好的效果。由于MAX194的輸出方式是串行輸出而與一般的并行輸出方式不同，因此，在與MC51系列單片機通信時有一些需要注意的事項。在此筆者把在應(yīng)用中遇到的問題及解決方法作以介紹。

1 工作原理及結(jié)構(gòu)

MAX194 的工作原理框圖如圖1所示。它主要由主DAC、控制邏輯、比較器和校準(zhǔn)DAC組成。主DAC用于產(chǎn)生與輸入模擬信號進(jìn)行比較的模擬信號，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與一般模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的DAC不同，它沒有采用T型電阻網(wǎng)絡(luò)，而是由帶二進(jìn)制權(quán)值的電容陣列組成（見圖2）.模擬電子開關(guān)受數(shù)字量的數(shù)字代碼控制，代碼為0時開關(guān)接地，代碼為1時開關(guān)接到參考電壓上。這樣，d13為1而其它為0時，VA=VREF/2；當(dāng)d12為1而其它為0時，VA=VREF/2 2；依次類推，直到當(dāng)d0=1而其它為0時，VA=VREF/2 14。根據(jù)疊加原理，總的等效電勢為：

VA=d13VREF/2+d12VREF/2 2……+d0VREF/2 14

以單極性輸入為例，其具體的轉(zhuǎn)換過程如下：

（1）將電容的自由端均接在AIN，以使電容充電得到電壓VAIN。

（2）將最高位電容接參考電壓，其它電容的自由端接地，以使VA=VAIN，即d13=1而其它位為0，這時，VA=VREF/2-VAIN，當(dāng)VA<0 即VAIN<VREF/2時，比較器的輸出為1，并通過控制邏輯使d13=0,反之使d13=1。在最高位確定后，如果使d12=1而其余為0，則 VA=d13VREF/2+d12VREF/2 2-VAIN。

（3）要通過比較器和控制邏輯來確定次高位，依次向下類推，經(jīng)過16次比較以可以使轉(zhuǎn)換結(jié)束（包括兩位附加位）。需要說明的是：圖中的DUMMY電容是為了使它前面的電容具有權(quán)值而設(shè)置的，其本身沒有權(quán)值。而由電容組成DAC將使MAX194具有采樣保持功能，也就是電路不需加采樣保持部分。

另外，MAX194自身具有校準(zhǔn)功能，可在上電時進(jìn)行校準(zhǔn)。當(dāng)外部環(huán)境改變時（如溫度變化，電源電壓改變等），還可以人為地置RESET為0時進(jìn)行校準(zhǔn)。

2 管腳排列及功能

MAX194的管腳排列如圖3所示。它采用16腳DIP封裝，各管腳的功能如下：

引腳1（BP/UP/SHDN）為三態(tài)輸入，此腳懸空，則模擬信號以雙極性方式輸入；接高電平時以單極性輸入；接低電平時則以10μA的關(guān)閉模式工作。

引腳10(RESET)接低電平時停止工作，并在上升沿開始校準(zhǔn)。

引腳9（CONV）變低后，A/D轉(zhuǎn)換開始。

引腳7（EOC）為轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出。轉(zhuǎn)換結(jié)束時輸出低電平，到一下次轉(zhuǎn)換開始時再變成高電平。

引腳2（CLK）外接轉(zhuǎn)換時鐘，最大頻率為1.7MHz；引腳3(SCLK)如果在轉(zhuǎn)換結(jié)束后讀取結(jié)果，則以SCLK的頻率讀取。它可以與CLK的頻率不同，最大為5MHz。

引腳5（DOUT）為串行數(shù)據(jù)輸出腳，先輸出最高位。

引腳8（CS）為片選信號，允許串行輸出。

引腳12（REF）為參考電壓輸入端，輸出范圍為0～5V。

引腳11（AIN）為模擬輸入，輸入范圍為0～VRFEF或-VREF～+VREF。

引腳6，14（DNCD，AGND）分別為數(shù)字地，模擬地。

引腳4，16（VDDD，VDDA）分別為+5V數(shù)字電源，+5V模擬電源。

引腳11，15（VSSD，VSSA）分別為-5V數(shù)字電源，-5V模擬電源。

3 MAX194的應(yīng)用電路

MAX194可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制，測量，數(shù)字信號處理等方面。

圖4為筆者在鍋爐測溫系統(tǒng)中用MAX194與單睡機進(jìn)行接口的接口電路，該接口將CS接P2.7腳，并由軟件發(fā)出片選信號。用于轉(zhuǎn)換的時間脈沖CLK由89C51的ALE腳產(chǎn)生。89C51的TXD經(jīng)非門接SCLK，以用做讀取數(shù)據(jù)的時鐘。

讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果有兩種方式，一種是在轉(zhuǎn)換的過程中以CLK的時鐘頻率讀出，另一種是在轉(zhuǎn)換結(jié)束后以SCLK的時鐘頻率讀出。筆者選擇在轉(zhuǎn)換結(jié)束后讀取結(jié)果的方式（第二種）。該方式在轉(zhuǎn)換結(jié)束以后，當(dāng)EOC變低并且在CS也為低時，在DOUT上輸出最高位，之后在SCLK的下降沿依次輸出其它位。SCLK允許的最高頻率是5MHz。圖5為其時序圖。

圖中，tCONV為轉(zhuǎn)換時間；tCSS為CS下降模沿的時間；tCSH為SCLK最后一個下降沿至CS上升沿的時間。

4 注意事項

采用圖4電路進(jìn)行接口設(shè)計時，應(yīng)注意以下幾點；
（1）Tcss必須大于75μs，應(yīng)在程序中先置CS為零，然后再發(fā)轉(zhuǎn)換開始信號。

（2）轉(zhuǎn)換開始脈沖必須與轉(zhuǎn)換時鐘同步，為此在P1.0和ALE之間應(yīng)加一個或門后再接至CONV，以確保同步。

（3）在TXD直接至SCLK相連時，由于89C51在TXD的下降沿讀數(shù)，而TXD（SCLK）的第一個下降沿以開始輸出次高位，這樣以會丟失最高位。為此，可在TXD與SCLK之間接一個反相器，這樣在TXD的下降沿讀入數(shù)據(jù)時，即可在TXD的上升沿（SCLK的下降沿）使DOUT輸出數(shù)據(jù)。由于讀入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)是分時進(jìn)行的，因而保證了這種先讀出最高位，再輸出次高位的全數(shù)據(jù)輸出方式。

（4）由于在收緩沖器SBUF中，數(shù)據(jù)的存儲順序為：

所以要在程序中重新排列其順序，圖6為其程序框圖，具體的程序如下：

ADZHUAN：CLR PSW

CLR C

CLR P2.7

MOV P0，#02H

MOV R1，#03H

SETB P1.0

CLR P1.0

SETB P1.0

SETB P3.2

HERE：JB P3.2，HERE

LOOP：MOV SCON，10H

WAIT1：JNB RI，WAIT1

MOV A，SBUF

MOV @R1，A

INC R1

DJNZ R0，LOOP

SETB P2.7

LCALL EXCH

RET

EXCH：MOV R1，30H

MOV A，#00H

CLR C

MOV R7，#08H

LOOP0：XCH A，R1

RRC A

XCH A，R1

RLC A

DJNZ R7，LOOP0

MOV 32H，A

MOV R1，31H

MOV A，#00H

CLR C

MOV R7，#08H

LOOP1：XCH，A，R1

RRC A

XCH A，R1

RLC A

DJNZ R7，LOOP1

MOV 33H,A

RET