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新型8通道24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1216及其應(yīng)用
摘要：介紹了８通道24位Δ－∑型模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADS1216的特點、結(jié)構(gòu)及原理，并以ADS1216用于海洋光學浮標光學幅照度儀為例，給出了它和C8051F020之間的接口電路和程序流程圖，最后給出了ADS1216的一些使用要點及設(shè)計經(jīng)驗。關(guān)鍵詞：ADS1216；SPI；Δ－∑；光學浮標
１ ＡＤＳ１２１６概述
ＡＤＳ１２１６是Ｂｕｒｒ－Ｂｒｏｗｎ產(chǎn)品線中的一款新型、高精度、寬動態(tài)范圍、Δ－∑型８通道２４位ＡＤＣ。它通過ＳＰＩ接口與外界進行信息交換，具有２２位有效分辨率，工作電壓范圍為２．７Ｖ～５．２５Ｖ。該器件可以通過選擇內(nèi)部緩沖來提高阻抗，并可提供全量程電壓５０％的偏移校正，此外，ＡＤＳ１２１６還具有內(nèi)外兩種參考電壓供給方式。
圖1
ＡＤＳ１２１６主要應(yīng)用于工業(yè)過程控制、液態(tài)／氣態(tài)色譜儀、血液分析、智能變送器、便攜式儀器、壓力傳感器以及其它一些要求高精度、低功耗的測量儀器中。ＡＤＳ１２１６的主要特點如下：
●低非線性度：０．００１５％；
●采用單周期轉(zhuǎn)換模式；
●功耗小于１ｍＷ；
●可配置為８路差分輸入；
●具有可編程增益放大器，Ｇ＝１時，可提供２２位有效分辨率； Ｇ＝ １２８時，可提供１９位有效分辨率；
●帶有ＳＰＩ通訊接口；
●數(shù)據(jù)輸出速率在１０Ｈｚ～１ｋＨｚ內(nèi)可編程；
●具有芯片自校準功能。
圖2
２ ＡＤＳ１２１６的結(jié)構(gòu)原理及寄存器功能
２．１ ＡＤＳ１２１６的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理
圖１所示為ＡＤＳ１２１６的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部主要引腳。ＡＤＳ１２１６內(nèi)部主要由模擬多路開關(guān)（ＭＵＸ）、輸入緩沖器（ＢＵＦ）、可編程增益放大器（ＰＧＡ）、二階Δ－∑調(diào)制器、可編程數(shù)字濾波器、微控制器、１６個狀態(tài)／控制寄存器、１２８字節(jié)ＲＡＭ、串行ＳＰＩ接口、兩個８位ＤＡＣ、內(nèi)部參考電壓產(chǎn)生器以及時鐘發(fā)生器等組成。其中，輸入多路選擇器（ＭＵＸ）主要用來提供八路模擬輸入差分組合。當模擬輸入的通道１被選擇為正差分輸入通道時，其余的通道則可被選作負的差分輸入端。這樣，其共地端引腳ＡＩＮＣＯＭ就可以非常方便地實現(xiàn)八通道差分輸入。ＡＤＳ１２１６內(nèi)部還有一個二極管溫度傳感器，它是否工作可通過對內(nèi)部ＭＵＸ寄存器的配置來選擇。
輸入緩沖器（ＢＵＦ）用于在信號通路中隔離開關(guān)電容器陣列與外部電路。在沒有輸入緩沖器時，ＡＤＳ１２１６的輸入阻抗為５ＭΩ，當使用ＡＤＳ１２１６內(nèi)部緩沖器時，其輸入電壓的波動減小，輸入電流增大。其內(nèi)部輸入緩沖器是通過ＢＵＦＦＥＲ引腳和內(nèi)部ＡＣＲ寄存器的ＢＵＦＦＥＲ位共同控制的。
ＡＤＳ１２１６內(nèi)部的可編程增益放大器（ＰＧＡ）的放大倍數(shù)可以通過ＡＣＲ寄存器設(shè)定為１到１２８，增益步長為２。
ＡＤＳ１２１６內(nèi)部的調(diào)節(jié)器是一個二階Δ－∑系統(tǒng)。調(diào)節(jié)器以ｆＭＯＤ的頻率工作，ｆＭＯＤ時鐘頻率來自外部時鐘ｆＯＳＣ。頻率的分割來自設(shè)置寄存器（ＳＥＴＵＰ）的ＳＰＥＥＤ位。設(shè)計時，通過ＳＰＥＥＤ位為１或０可以將ｆＭＯＤ的頻率設(shè)置為ｆＯＳＣ／２５６或ｆＯＳＣ／１２８。
通過數(shù)字濾波器可提高ＡＤＣ的轉(zhuǎn)換精度和分辨率。數(shù)字濾波有一定的建立時間。ＡＤＳ１２１６內(nèi)部可以分為快速建立、ｓｉｎｃ２或ｓｉｎｃ３三種濾波方式�？焖俜绞浇r間最短，但濾波精度也最低，而ｓｉｎｃ３的建立時間最長，但濾波精度最高。
ＡＤＳ１２１６提供有兩種參考電壓供給方式，上電默認參考電壓是內(nèi)部２．５Ｖ。參考電壓的選擇可通過ＳＥＴＵＰ寄存器的設(shè)置來完成。內(nèi)部參考電壓可選擇１．２５Ｖ或２．５Ｖ。參考電壓輸出端應(yīng)該有一個０．１μＦ的電容接地。外部參考電壓是差動輸入，輸入范圍為０～２．５Ｖ。通過ＡＤＳ１２１６的ＶＲＣＡＰ引腳可為內(nèi)部參考電壓提供一個旁路電容以濾除內(nèi)部參考電壓的噪聲，當使用外部參考電壓時，該腳可以不連。
圖3
ＡＤＳ１２１６采用四線制（時鐘信號線ＳＣＬＫ、數(shù)據(jù)輸入線ＤＩＮ、數(shù)據(jù)輸出線ＤＯＵＴ以及片選線ＣＳ）ＳＰＩ通訊方式。ＳＰＩ的最大通信時鐘可達ｆｏｓｃ／４。ＡＤＳ１２１６只能工作在ＳＰＩ通訊的從模式下，可通過各種主控制器（如單片機等）給它發(fā)送同步傳送命令。在ＳＰＩ傳送過程中，數(shù)據(jù)被同步地發(fā)送和接收，ＳＣＬＫ和ＤＩＮ、ＤＯＵＴ同步移動。圖２所示是ＳＰＩ通訊時序關(guān)系，其中ＰＯＬ信號用來控制時鐘脈沖的極性。通過ＰＯＬ可選擇ＳＣＬＫ是高電平有效還是低電平有效。
ＡＤＳ１２１６使用兩種典型的存儲器：寄存器和ＲＡＭ。１６個寄存器可直接控制ＡＤＳ１２１６的工作過程，而且這１６個寄存器可以被直接讀寫。實際上，這些寄存器包括了所有用來配置ＡＤＳ１２１６的部分，比如數(shù)據(jù)格式、通道選擇、參考電壓設(shè)置等。
整個器件工作過程的建立可通過對１６個獨立的寄存器的設(shè)置來完成。讀或?qū)懠拇嫫骰虼鎯ζ鞫际且宰止?jié)為單位的。而寄存器與ＲＡＭ之間的數(shù)據(jù)傳輸則是以塊為基礎(chǔ)來進行的。ＲＡＭ和寄存器之間是相互獨立的。
內(nèi)部存儲器（包括寄存器和ＲＡＭ）的地址均為線性的，寄存器地址為００Ｈ～０ＦＨ。為便于八通道數(shù)據(jù)獨立存儲以及同寄存器之間進行數(shù)據(jù)的塊傳輸，１２８字節(jié)ＲＡＭ被劃分成８個相互獨立的塊。每一個塊的偏移量均為００Ｈ～０ＦＨ。所以，每塊各單元的地址可以看作塊地址和偏移量的組合。如地址１４Ｈ則等于第一個ＲＡＭ塊且偏移量為０４Ｈ的單元。
ＡＤＳ１２１６的同步操作可利用外部時間提供一個精確的同步以用于Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換。它既可通過芯片的ＤＳＹＮＣ引腳提供，也可通過內(nèi)部ＤＳＹＮＣ命令提供。
２．２ ＡＤＳ１２１６主要寄存器功能
在ＡＤＳ１２１６的１６個寄存器中有五種寄存器是最主要的，表１為這五種寄存器的操作格式。
表1 ADS1216的主要寄存器格式
（１）ＳＥＴＵＰ寄存器（地址為００Ｈ），為建立寄存器；復(fù)位值為ｘｘｘ ０１１１０。該寄存器的前三個ＩＤ位由出廠設(shè)定；ＳＰＥＥＤ為多路選擇器時鐘速度，為０時，ｆＭＯＤ＝ｆＯＳＣ／１２８；為１時，ｆＭＯＤ＝ｆＯＳＣ／２５６；ＲＥＦ ＥＮ用于選擇參考電壓，為０時，使用內(nèi)部參考；為１時使用外部參考；當ＲＥＦ ＨＩ為０時，內(nèi)部參考電壓為１．２５Ｖ；為１時內(nèi)部參考為２．５Ｖ；ＢＵＦ ＥＮ用于選擇緩沖，為０表示未使用內(nèi)部緩沖；為１表示使用內(nèi)部緩沖；ＢＩＴ ＯＲＤＥＲ用于表示數(shù)據(jù)緩沖器數(shù)據(jù)位的輸出順序；為０表示高位在先，為１表示低位在先。
（２）ＭＵＸ寄存器（地址０１Ｈ），為多路選擇器控制寄存器；復(fù)位值為０１Ｈ。其中的ＰＧＡ２?ＰＧＡ１?ＰＧＡ０用于可編程增益放大倍數(shù)的選擇，具體為：０００＝１， ００１＝２，０１０＝４，０１１＝８，…?１１１＝１２８。
（３）ＡＣＲ寄存器（地址為０２Ｈ），為模擬控制寄存器；復(fù)位值為００Ｈ。其中ＤＲＤＹ為數(shù)據(jù)準備好信號（只讀）；Ｕ／Ｂ用于表示數(shù)據(jù)格式，０為雙極性，１為單極性；ＳＭＯＤＥ１和ＳＭＯＤＥ０用于設(shè)置濾波模式，００為自動；０１為快速建立濾波模式，１０為Ｓｉｎｃ２濾波方式； １１為Ｓｉｎｃ３濾波；ＤＥＣ１０、ＤＥＣ０９和ＤＥＣ０ ８是采樣頻率的高三位。
（４）ＥＤＣＤ寄存器（地址０８Ｈ），為采樣時間寄存器（低八位），復(fù)位值為８０Ｈ。其中，ＰＳＥＬ３?ＰＳＥＬ２?ＰＳＥＬ１?ＰＳＥＬ０和ＮＳＥＬ３?ＮＳＥＬ２?ＮＳＥＬ１?ＮＳＥＬ０分別用于正、負通道選擇，００００～０１１１分別表示通道ＡＩＮ０～ＡＩＮ７，１ＸＸＸ表示ＡＩＮＣＯＭ?除均為０或１外?，１１１１表示溫度傳感器工作。
（５）Ｍ／ＤＥＣ１寄存器（地址為０９Ｈ），為模式和采樣頻率寄存器，復(fù)位值為０７Ｈ。ＡＤＳ１２１６的采樣時間變化范圍是２０～２０４７（１１位），ＤＥＣ０寄存器是其低八位，而１１位中的高三位在Ｍ／ＤＥＣ１寄存器中，默認的采樣頻率是１０Ｈｚ（晶振為２．４５７６Ｈｚ）。
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３．１ ＡＤＳ１２１６與單片機Ｃ８０５１Ｆ０２０的接口
Ｃ８０５１Ｆ０２０（簡稱Ｆ０２０）是美國Ｃｙｇｎａｌ公司推出的一種混合信號ＳＯＣ型８位單片機。它可用硬件實現(xiàn)ＳＰＩ串行接口，因此在與ＡＤＳ１２１６進行通訊時，可以省去一般Ｉ／Ｏ口模擬ＳＰＩ通訊的麻煩，而直接采用Ｆ０２０內(nèi)部的ＳＰＩ通訊控制寄存器進行設(shè)置，從而方便地實現(xiàn)與ＡＤＳ１２１６的通訊。筆者在實際設(shè)計中，采用一片Ｆ０２０控制四片ＡＤＳ１２１６實現(xiàn)了海水中向上幅照度和向下輻亮度各１２個波段的光信號檢測。為了簡便起見，圖３給出了一片ＡＤＳ１２１６與Ｆ０２０之間的接口電路。圖３中，ＡＤＳ１２１６與Ｃ８０５１Ｆ０２０的接口信號有ＳＣＬＫ、Ｄｉｎ、Ｄｏｕｔ、ＣＳ、數(shù)據(jù)準備好信號ＤＲＤＹ、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換同步信號ＤＳＹＮＣ以及內(nèi)部緩沖器使能信號ＢＵＦＦＥＲ。其中ＳＣＬＫ、Ｄｉｎ、Ｄｏｕｔ分別連接在Ｆ０２０的Ｐ０．２、Ｐ０．３、Ｐ０．４，這三個引腳通過Ｆ０２０內(nèi)部的ＳＰＩ控制寄存器被配置為ＳＰＩ通訊端口，而將其它的信號線直接連接在Ｆ０２０的普通Ｉ／Ｏ口便可以進行位控或狀態(tài)位的讀取。
３．２ 軟件流程
根據(jù)設(shè)計要求，在將本系統(tǒng)運用于海洋光學浮標光學幅照度、輻亮度測量儀中時，針對具體的應(yīng)用，其主要部分的程序流程如圖４所示。
４ 小結(jié)
通過筆者的設(shè)計及實驗，在使用ＡＤＳ１２１６時，應(yīng)注意以下幾點：
（１）在ＡＤＳ１２１６片外要將其模擬地和數(shù)字地連接在一起，否則ＡＤＳ１２１６將無法正常工作。
（２）在設(shè)計印刷電路板時，應(yīng)將外部晶振盡可能地靠近ＡＤＳ１２１６，筆者在實驗中發(fā)現(xiàn)：晶振離ＡＤＳ１２１６越遠，其輸入時序的幅值越小，當幅值太小時，可以通過減小接入晶振兩端的電容來增大其幅值，其范圍應(yīng)在０～２０ｐＦ之間。
（３）在使用ＳＰＩ通訊時，必須注意單片機和ＡＤＳ１２１６的ＳＣＬＫ極性，通過ＰＯＬ引腳的設(shè)置可使主控制器和ＡＤＳ１２１６的ＳＣＬＫ極性保持一致。
（４）為了得到穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換結(jié)果，每次改變通道和發(fā)送同步信號前，應(yīng)先增加一段延時，該延時時間應(yīng)隨ＡＤ采樣頻率和濾波方式的變化而變化。
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