24位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADSl258的原理應(yīng)用

1 概述

ADSl258是TI公司推出的一款高精度、低功耗、低噪聲的16通道(多路復(fù)用的)24位△一∑型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，其內(nèi)部集成了輸入多路復(fù)用器、模擬低通濾波器、數(shù)字濾波器等功能。內(nèi)部有多種控制寄存器，用戶通過(guò)不同的配置得到不同的A／D采樣速率、采樣模式、A／D轉(zhuǎn)換精度等。適用于對(duì)性能、功耗要求高、模擬通道要求多的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2 ADSl258主要特點(diǎn)及引腳功能

2．1 主要特點(diǎn)

△一∑ADC，24位轉(zhuǎn)換精度，定通道采樣速率為125 Ks／s(可編程)，自動(dòng)通道檢測(cè)通道采樣速率為23．7 Ks／s(可編程)；

模擬輸入多路復(fù)用器可配置成8路差分輸入或16路單極輸入。多路復(fù)用器的輸出可通過(guò)外部獲得，這就能在ADC輸入之前采用共享的信號(hào)調(diào)節(jié)通道；

0．5μV／℃的失調(diào)漂移、最大0．001 0％的滿量程整數(shù)非線性誤差；

工作電壓范圍為2．7～5．25 V；

內(nèi)部帶有針對(duì)低噪聲性能進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)優(yōu)化的5階正弦數(shù)字濾波器；

帶有串行外設(shè)接口(SPI)；

與其他ADC相比，ADSl258具有精度高、轉(zhuǎn)換數(shù)率快、功耗低、工作性能好等特性，適用于設(shè)備與系統(tǒng)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、醫(yī)療、航空電子、測(cè)試測(cè)量等多通道應(yīng)用場(chǎng)合。

2．2 引腳功能

ADSl258采用QFN一48小型封裝，各引腳功能定義如下：

AINO～AINl5：模擬信號(hào)輸入端；

GPl00~GPl07：GPIO信號(hào)輸入／輸出端；

CLKSEL：時(shí)鐘信號(hào)選擇輸入端；

SCLK：SPI接口時(shí)鐘輸入端；

DIN：SPI接口數(shù)據(jù)輸入端；

DOUT：SPI接口數(shù)據(jù)輸出端；

DRDY：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好輸出端；

START：數(shù)據(jù)開(kāi)始轉(zhuǎn)換信號(hào)輸入端；

CS：SPI接口片選端；

VREFN：參考電壓輸入端(+)；

VREFP：參考電壓輸入端(一)；

ADCINN：模擬差分輸入端(一)；

ADCINP：模擬差分輸入端(+)；

MUXOUTN：多路復(fù)用器差分輸出端(一)；

MUXOUTP：多路復(fù)用器差分輸出端(+)；

DVDD：數(shù)字電源，2．7~5．25 V；

RESET：復(fù)位端。[next]

2．3 結(jié)構(gòu)原理

圖l為ADSl258的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。ADSl258主要由模擬多路開(kāi)關(guān)(MUX)、可共享的信號(hào)調(diào)理通道、4階△一∑ADC、5階正弦數(shù)字濾波器、SPI接口、GPIO接口、時(shí)鐘發(fā)生器、控制器等組成。模擬信號(hào)從AINO～AINl5引腳輸入，通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)可將其配置成8路差動(dòng)輸入或16路單極輸入，通過(guò)共用的信號(hào)調(diào)理通道，輸入到4階△一∑ADC實(shí)現(xiàn)24位A／D轉(zhuǎn)換，通過(guò)數(shù)字濾波器，最終以SPI接口的形式輸出數(shù)字信號(hào)。在使用外部可共享的信號(hào)調(diào)理通道時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況，可關(guān)閉所使用的調(diào)理通道，只需將寄存器CONFIGO的第4位(BYPAS)置0即可關(guān)閉外部調(diào)理通道，直接在ADSl258內(nèi)部實(shí)現(xiàn)連接。但是，在大多數(shù)使用條件下，為獲得更高的A／D轉(zhuǎn)換精度，建議使用外部信號(hào)調(diào)理通道。

ADSl258采用4線制(時(shí)鐘信號(hào)SCLK、數(shù)據(jù)輸入DIN、數(shù)據(jù)輸出DOUT和片選)SPI通信方式，由于ADSl258無(wú)法控制SPI何時(shí)開(kāi)始傳輸，而是由主機(jī)控制數(shù)據(jù)傳輸，因此ADSl258只能工作在SPI通信的從模式下，設(shè)計(jì)時(shí)可通過(guò)各種主控制器控制ADSl258片上的寄存器，并通過(guò)SPI接口讀寫(xiě)這些寄存器。通過(guò)SPI接口進(jìn)行通訊時(shí)，必須保持CS信號(hào)為低電平，DRDY引腳用于表明轉(zhuǎn)換是否完成，DRDY為低時(shí)，說(shuō)明轉(zhuǎn)換已完成，可以直接通過(guò)通道讀取數(shù)據(jù)或通道讀數(shù)據(jù)命令從DOUT引腳上讀出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。SPI通信，可同步發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)也可利用SCLK和DIN，DOUT信號(hào)同步移動(dòng)。在SCLK的下降沿，系統(tǒng)通過(guò)DIN向ADSl258發(fā)送數(shù)據(jù)；而在SCLK的上升沿，系統(tǒng)則通過(guò)DOUT從ADSl258讀取數(shù)據(jù)。DlN和DOUT也通過(guò)一條雙向信號(hào)線與主控制器相連。圖2給出SPI通訊時(shí)序圖。

2．4 主要寄存器

ADSl258工作過(guò)程的建立主要通過(guò)設(shè)置其獨(dú)立寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這些寄存器包括出廠時(shí)所有需要設(shè)置的信息，如采樣模式、外部信號(hào)調(diào)理通道開(kāi)關(guān)、時(shí)鐘模式的選擇、模擬輸入是單極輸入還是差分輸入等等。表l給出了ADSl258的主要寄存器。其中CONFIG0和CONFIGl為狀態(tài)寄存器，MUXSCH為多路固定通道選擇寄存器，MUXDIF為多路模擬差分輸入配置寄存器，MUXSG0和MUXSGl為模擬單極輸入通道選擇寄存器。狀態(tài)寄存器CONFIG0的最高位由制造商設(shè)定為0，不能更改。SPIRST決定了ADSl258的SPI接口復(fù)位時(shí)間，SPIRST=l時(shí)其復(fù)位時(shí)間為4 096fclk；SPIRST=O時(shí)則為256fclk。MUXMOD是掃描模式選擇位，當(dāng)MUXMOD=0時(shí)采用自動(dòng)掃描模式；MUXMOD=l時(shí)采用固定模式。BYPAS位用于選擇是否采用外部信號(hào)調(diào)理通道選擇位，BYPAS=0時(shí)，內(nèi)部多路復(fù)用器短接而不使用外部的信號(hào)調(diào)理通道；BYPAS=l時(shí)，輸入的模擬信號(hào)通過(guò)共用的外部信號(hào)調(diào)理通道傳輸?shù)?4位△一∑ADC轉(zhuǎn)換器。CONGIGl寄存器中的DRATE[1：0]位是A／D轉(zhuǎn)換速率選擇位，在自動(dòng)掃描模式下，DRATE[1：0]=ll=23．739 Ks／s；DRATE[1：O]=10=15．123 Ks／s；DRATE[l：0]=0l=6．168 Ks／s；DRATE[l：O]=Ol=6．168 Ks／s；DRATE[1：0]=00=1．83l Ks／s。

3 典型應(yīng)用

3．1 硬件設(shè)計(jì)

圖3為ADSl258的單極多通道應(yīng)用電路圖。該電路為多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將外部輸入的16路模擬信號(hào)通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)，傳輸?shù)酵獠抗灿玫男盘?hào)調(diào)理通道，通過(guò)信號(hào)調(diào)理通道的信號(hào)調(diào)節(jié)作用，傳輸給24位△一∑型A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)專(zhuān)門(mén)優(yōu)化的5階正弦數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波，最后才通過(guò)SPI接口傳輸給C805lF120進(jìn)行處理。

為了提高數(shù)據(jù)的采集精度，本采集系統(tǒng)采用MAXIM公司的具有高精度和低漂移的4．096 V電壓基準(zhǔn)MAX6164A。同時(shí)由于輸入信號(hào)的電壓范圍為O~1 V，為了使輸入信號(hào)的范圍與電壓基準(zhǔn)相一致，提高采集精度，在信號(hào)通過(guò)外部信號(hào)調(diào)理通道時(shí)，調(diào)整比例因子，即就是R7和R6的值，使輸入信號(hào)放大4倍，量程為0~4 V，其電壓增益AV=1+(2R7／R6)，只要選擇合適的R7和R6，使AV=4即可滿足要求。同時(shí)為了提高A／D轉(zhuǎn)換精度，選用R6和R7時(shí)盡可能選擇高精度的精密電阻。

3．2 軟件設(shè)計(jì)

由于C805lFl20和ADSl258都擁有各自的硬件SPI接口，編程比較簡(jiǎn)單，只要按照ADSl258的時(shí)序圖編程即可實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)功能，需注意以下事項(xiàng)：使用SPI接口時(shí)，要先對(duì)行SPI接口進(jìn)行復(fù)位，可采用硬件復(fù)位或軟件復(fù)位，但是即使采用硬件電路復(fù)位，使CS信號(hào)固定在低電平時(shí)，還要進(jìn)行SPI軟件接口復(fù)位，否則有可能使SPI讀寫(xiě)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

在配置A／D轉(zhuǎn)換速率時(shí)，在滿足系統(tǒng)條件下，盡量選擇轉(zhuǎn)換速率比較低的工作模式，這樣可以提高轉(zhuǎn)換精度；

為達(dá)到最佳性能，在電路布局時(shí)要使數(shù)字信號(hào)線與模擬信號(hào)線相隔離，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，可選擇數(shù)字電源和模擬電源工作在不同的電壓模式。

4 結(jié)語(yǔ)

ADSl258具有轉(zhuǎn)換速率快、高精度、低功耗、接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，非常適合多通道高精度數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的使用。目前，基于ADSl258的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)已經(jīng)在某導(dǎo)航系統(tǒng)中使用，并且取得了很好效果。