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?。SCLK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