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CS5396/97的超高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

作者: 時間:2006-05-07 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要:24位∑-Δ A/DCS5397/97的特性及其在超高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用。在給出的由(TMS320C32)、(XC3064)、FIFO寄存器等構(gòu)成的實際應(yīng)用系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)采集的動態(tài)范圍可達(dá)100dB(當(dāng)正弦信號的峰-峰值為3V時)。

在測量、工業(yè)控制系統(tǒng)中,A/D的數(shù)據(jù)采集精度對系統(tǒng)的性能有著至關(guān)重要的影響。傳統(tǒng)的A/D器件,大都采用逐次逼近方式,而CS5396/97[1]采用了∑-Δ技術(shù),可實現(xiàn)24位的高分辨率?!?Δ技術(shù)的本質(zhì)是采用負(fù)反饋方式逐步減小輸入模擬信號與DAC反饋信號的差值,∑-Δ A/D器件比傳統(tǒng)的逐次逼近方式的A/D器件性能好。CS5396/97構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高分辨率、寬動態(tài)范圍、高信噪比等特點,特別適合于高精度數(shù)據(jù)采集的場合。

1 CS5396/97的主要性能

CS5396/97是一個完整的數(shù)字視頻模/數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng),它能完成采樣、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波等,對左/右兩個模擬信號輸入通道進(jìn)行約100kHz的采樣,并以24位串行數(shù)據(jù)(校正和濾波后,動態(tài)范圍為120dB)輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。CS5396/97具有一個七階三態(tài)∑-Δ調(diào)制器(可選擇64位或128倍的過采樣率),A/D的輸入采用差動結(jié)構(gòu)以便消除共模噪聲干擾。CS5396/97主要性能特點是:

(1)高精度24位輸出;

(2)120dB動態(tài)范圍;

(3)低噪聲、噪聲分離度>105dB THD+N;

(4)CMOS工藝器件;

(5)可變頻率的采樣時鐘;

(6)差動的模擬信號輸入;

(7)具有線性相位數(shù)字濾波器;

(8)具有10節(jié)點的可編程序噪聲抑制濾波器;

(9)單一+5V DC供電。

CS5396/97可工作于兩種工作方式:獨立工作方式和受控工作方式。至于選擇哪一種工作方式,取決于系統(tǒng)加電時CS5396的"SDATA1"引腳的狀態(tài)(1:對應(yīng)于"受控方式";0:對應(yīng)于"獨立工作方式")。在獨立工作方式下,CS5396的時鐘主/從方式選擇、省電模式控制、標(biāo)定過程控制等均由CS5396的外部引腳狀態(tài)確定。在受控工作方式,CS5396的時鐘主/從方式選擇、省電模式控制、SDATA1/SDATA2數(shù)據(jù)輸出選擇、同步方式、過采樣率(64倍或128倍)、高通濾波器的使能/禁止、A/D輸出數(shù)據(jù)的位數(shù)(24位、16位、18位或20位)及數(shù)據(jù)對齊方式(左對齊格式/I2S數(shù)據(jù)格式)等均由A/D內(nèi)部的控制寄存器中的控制字確定。受控工作方式可實現(xiàn)(或其它微控制器)對A/D變換器的全面控制;而獨立工作方式僅能部分地選擇A/D變換器的工作參量。所以在一般情況下,應(yīng)選擇受控工作方式。本文將對受控工作方式進(jìn)行比較詳細(xì)的討論。CS5396器件的引腳及意義描述如圖1所示。

2 基于CS5396/97的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖2是由DSP(TMS320C32)、程序/數(shù)據(jù)存儲器、24位FIFO存儲器、現(xiàn)場可編程序器件(完成A/D變換的串行數(shù)據(jù)并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換及各存儲器的地址譯碼/讀寫控制等邏輯控制功能)和CS5396/97等構(gòu)成的高精度數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)。

2.1 A/D數(shù)據(jù)緩沖器FIFO及電路

A/D數(shù)據(jù)緩沖器FIFO的長度為4K,位數(shù)為24位,對應(yīng)于TMS320C32的數(shù)據(jù)總線的低25位,即D[24:0]。其中低24位(D[23:0])為A/D數(shù)據(jù),最高1位(D[24])為通道號。A/D輸入 有2個通道,數(shù)據(jù)安排為:先左(第1通道)后右(第2通道),數(shù)據(jù)編碼為二進(jìn)制補(bǔ)碼。

因為CS5396的24位A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果是以串行數(shù)據(jù)(以時鐘SCLK為基準(zhǔn))輸出的,為了存儲A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果,必須將這24位串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù),然后再存儲到24位FIFO RAM中。串-并轉(zhuǎn)換電路是由FPGA器件XC3064[2]來完成的。

2.2 A/D控制口

系統(tǒng)有兩個模擬輸入通道,用1片CS5396-KS實現(xiàn),工作在受控方式。TMS320C32(A/D控制)通過A/D控制口,可設(shè)置它們的工作模式(過采樣率、主/從模式、數(shù)據(jù)格式選擇、高通濾波禁止等)。

系統(tǒng)要求:過采樣率為64倍;工作在主模式;數(shù)據(jù)格式為I2S;禁止高通濾波。

2.2.1 控制寄存器

CS5396/97器件內(nèi)部含有若干個控制寄存器,DSP可對其進(jìn)行讀/寫,用于設(shè)置CS5396的工作方式。

(1)模擬控制寄存器(地址00000001)

76543210
FSTARTGNDCALAAPDADPD1 BIT   
00000   

FSTART:置1開始同步工作,自動清零;

GNDCAL:置1使模擬輸入接Vcom,用于自校正;

AAPD:置1使模擬部分進(jìn)入省電模式;

ADPD:置1使數(shù)字部分進(jìn)入省電模式;

1BIT:測試位,必須保持為0。

(2)模式寄存器(地址00000010)

76543210
128x/64xCALSIGNLR/LLHPENS/MDFSMUTE
00000000

128x/64x:過采樣率選擇

0為64位過采樣率;1為120倍過采樣率。

CAL:置1,初始化自校正,自動清零。

SIGN:置1使模擬輸入反向。

LR/LL:輸出模式選擇

0為輸出先左后右;1為SDATA1輸出左通道,

SDATA2輸出右通道。

HPEN:高通濾波器

0為允許高通濾波器;1為禁止高通濾波器。

S/M:主/從模式選擇

0為主模式;1為從模式。

DFS:數(shù)據(jù)格式選擇

0為左對齊格式;1為I2C格式。

MUTE:置1,輸出全為0.

2.2.2 A/D控制口操作流程

(1)上電后DSP設(shè)置控制字,使A/D工作。

(2)檢查A/D控制寄存器滿標(biāo)志,滿則等待,不滿則進(jìn)行下一步。

(3)對A/D控制口作寫操作,16位數(shù)據(jù)。高8位為寄存器地址,低8位為相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

2.2.3 A/D自動正流程

(1)置FSTART位。

(2)置GNDCAL位。

(3)置CAL位。

(4)等160ms。

(5)清GNDCAL位。

2.2.4 TMS320C32對A/D的操作流程

(1)設(shè)置控制字。

(2)設(shè)置A/D工作模式。

(3)置FSTART位。

(4)延遲10s,使Vref達(dá)到穩(wěn)定。

(5)對A/D進(jìn)行自校正。

(6)等A/D采樣數(shù)據(jù)。

2.2.5 控制字

(1)模式控制字:

020AH,高通濾波器無效、主模式、I2C格式;

020EH,高通濾波器無效、從模式、I2C格式工。

(2)多片A/D同步控制字:0180H。

(3)置GHDCAL控制字:0140H。

(4)自校正控制字:024AH,主模式;024EH,從模式。

3 采樣結(jié)果分析

當(dāng)用標(biāo)準(zhǔn)的信號源設(shè)定模擬輸入信號頻率為1kHz、幅度為3V時,A/D變換器的采樣結(jié)果與功率譜估計結(jié)構(gòu)(采樣數(shù)據(jù)通過DSP系統(tǒng)中的USB總線接口傳送至PC機(jī)后的處理結(jié)果)如圖3和圖4所示。這里將CS5396設(shè)置成主動工作方式(模式控制字為020AH)、24位輸出、主時鐘MCLK=MCLKA=MCLKD=12.288MHz、64倍的過采樣率(采樣頻率Fs=MCLK/64=48kHz,串行時鐘SCLK=MCLK/4=3.072MHz),采樣點數(shù)N=1024。在上述條件下,A/D變換器采樣數(shù)據(jù)在頻率域(功率譜密度)的動態(tài)范圍并且信噪比在95dB以上,達(dá)到了非常高的采樣精度。由此可見,基于CS5396/97的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可用于需要較高采樣精度、且信號帶寬在20kHz以內(nèi)的場合。這種系統(tǒng)具有較高的使用價值和推廣價值。



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