12位串行A/D轉(zhuǎn)換器的原理及應(yīng)用開(kāi)發(fā)
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/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(wú)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(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-HOL
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(guò)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
評(píng)論