- 12位串行A/D轉(zhuǎn)換器的原理及應(yīng)用開(kāi)發(fā)
- A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理
- 應(yīng)用MAX1224/MAX1225系列12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器
- 采用MCP6S26型6通道增益可編程放大器
- 局部關(guān)斷模式和完全關(guān)斷模式的設(shè)計(jì)
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(xiàn)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(wú)流水線(xiàn)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(xiàn)(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)。
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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(kāi)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(guò)使用欠采樣技術(shù)測(cè)量帶寬超過(guò)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(guò)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(kāi)始轉(zhuǎn)換,DOUT從高阻態(tài)變?yōu)檫壿嫷碗娖健CLK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(kāi)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)。
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(guò)同一個(gè)ADC進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。
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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(guò)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(méi)有3線(xiàn)制串行總線(xiàn)接口,它與MCP6S26進(jìn)行3線(xiàn)制串行總線(xiàn)的連接時(shí),要使用軟件來(lái)模擬3線(xiàn)制串行總線(xiàn)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(lái)構(gòu)成。轉(zhuǎn)換過(guò)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(yǔ)
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(xiàn)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。