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

2 ADSl258主要特點及引腳功能
2．1 主要特點
△一∑ADC，24位轉(zhuǎn)換精度，定通道采樣速率為125 Ks／s(可編程)，自動通道檢測通道采樣速率為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)用器的輸出可通過外部獲得，這就能在ADC輸入之前采用共享的信號調(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)部帶有針對低噪聲性能進行了專門優(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、測試測量等多通道應(yīng)用場合。
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：模擬信號輸入端；
GPl00~GPl07：GPIO信號輸入／輸出端；
CLKSEL：時鐘信號選擇輸入端；
SCLK：SPI接口時鐘輸入端；
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)開始轉(zhuǎn)換信號輸入端；
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。
2．3 結(jié)構(gòu)原理
圖l為ADSl258的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。ADSl258主要由模擬多路開關(guān)(MUX)、可共享的信號調(diào)理通道、4階△一∑ADC、5階正弦數(shù)字濾波器、SPI接口、GPIO接口、時鐘發(fā)生器、控制器等組成。模擬信號從AINO～AINl5引腳輸入，通過多路模擬開關(guān)可將其配置成8路差動輸入或16路單極輸入，通過共用的信號調(diào)理通道，輸入到4階△一∑ADC實現(xiàn)24位A／D轉(zhuǎn)換，通過數(shù)字濾波器，最終以SPI接口的形式輸出數(shù)字信號。在使用外部可共享的信號調(diào)理通道時，根據(jù)實際情況，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，建議使用外部信號調(diào)理通道。

ADSl258采用4線制(時鐘信號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無法控制SPI何時開始傳輸，而是由主機控制數(shù)據(jù)傳輸，因此ADSl258只能工作在SPI通信的從模式下，設(shè)計時可通過各種主控制器控制ADSl258片上的寄存器，并通過SPI接口讀寫這些寄存器。通過SPI接口進行通訊時，必須保持CS信號為低電平，DRDY引腳用于表明轉(zhuǎn)換是否完成，DRDY為低時，說明轉(zhuǎn)換已完成，可以直接通過通道讀取數(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信號同步移動。在SCLK的下降沿，系統(tǒng)通過DIN向ADSl258發(fā)送數(shù)據(jù)；而在SCLK的上升沿，系統(tǒng)則通過DOUT從ADSl258讀取數(shù)據(jù)。DlN和DOUT也通過一條雙向信號線與主控制器相連。圖2給出SPI通訊時序圖。

2．4 主要寄存器
ADSl258工作過程的建立主要通過設(shè)置其獨立寄存器來實現(xiàn)的。這些寄存器包括出廠時所有需要設(shè)置的信息，如采樣模式、外部信號調(diào)理通道開關(guān)、時鐘模式的選擇、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)位時間，SPIRST=l時其復(fù)位時間為4 096fclk；SPIRST=O時則為256fclk。MUXMOD是掃描模式選擇位，當(dāng)MUXMOD=0時采用自動掃描模式；MUXMOD=l時采用固定模式。BYPAS位用于選擇是否采用外部信號調(diào)理通道選擇位，BYPAS=0時，內(nèi)部多路復(fù)用器短接而不使用外部的信號調(diào)理通道；BYPAS=l時，輸入的模擬信號通過共用的外部信號調(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
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路模擬信號通過多路模擬開關(guān)，傳輸?shù)酵獠抗灿玫男盘栒{(diào)理通道，通過信號調(diào)理通道的信號調(diào)節(jié)作用，傳輸給24位△一∑型A／D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過專門優(yōu)化的5階正弦數(shù)字濾波器進行濾波，最后才通過SPI接口傳輸給C805lF120進行處理。

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。同時由于輸入信號的電壓范圍為O~1 V，為了使輸入信號的范圍與電壓基準(zhǔn)相一致，提高采集精度，在信號通過外部信號調(diào)理通道時，調(diào)整比例因子，即就是R7和R6的值，使輸入信號放大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。同時為了提高A／D轉(zhuǎn)換精度，選用R6和R7時盡可能選擇高精度的精密電阻。
3．2 軟件設(shè)計
由于C805lFl20和ADSl258都擁有各自的硬件SPI接口，編程比較簡單，只要按照ADSl258的時序圖編程即可實現(xiàn)軟件設(shè)計功能，需注意以下事項：使用SPI接口時，要先對行SPI接口進行復(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信號固定在低電平時，還要進行SPI軟件接口復(fù)位，否則有可能使SPI讀寫數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。
在配置A／D轉(zhuǎn)換速率時，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，在電路布局時要使數(shù)字信號線與模擬信號線相隔離，可根據(jù)實際應(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
ADSl258具有轉(zhuǎn)換速率快、高精度、低功耗、接口簡單等優(yōu)點，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。