MAX1148型高精度14位串行A／D轉(zhuǎn)換器

    摘要：MAXll48是Maxim公司2005年最新推出的14位串行模／數(shù)轉(zhuǎn)換器。文中介紹了MAXll48的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)和工作原理，給出了它在8位CPU為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例。

    關(guān)鍵詞：模數(shù)轉(zhuǎn)換器；MAXll48：串行

1 概述

模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是現(xiàn)代測(cè)控中非常重要的環(huán)節(jié)。它有并行和串行兩種數(shù)據(jù)輸出形式。并行ADC雖然數(shù)據(jù)傳輸速度快，但有引腳多、體積大、占用微處理器接口多的缺點(diǎn)；而串行ADC的傳輸速率目前已經(jīng)可以做得很高，并且具有體積小、功耗低、占用微處理器接口少的優(yōu)點(diǎn)。因此，串行ADC的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

MAXll48是Maxim公司最新推出的一種真差分、8通道、14位逐次逼近、串行輸出模／數(shù)轉(zhuǎn)換器。處理器接口多的缺點(diǎn)；而串行ADC的傳輸速率目前 該器件具有轉(zhuǎn)換速率高、功耗低、接口方便的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于工業(yè)過(guò)程控制、高精度數(shù)據(jù)采集、便攜式數(shù)字儀表、醫(yī)療儀器等領(lǐng)域。

2 MAX1148的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)

2.1 MAX1148的特點(diǎn)

● 8路單端或4路差分輸入（內(nèi)置多路模擬開(kāi)關(guān)，由軟件設(shè)置）。

● 單極性模式時(shí)輸出為二進(jìn)制模式；

雙極性模式時(shí)輸出為二的補(bǔ)碼格式，1LSB=（VREF/2N）；

數(shù)據(jù)在SCLK下降沿同步輸出，MSB先出。

● 5V±5%單電源。

● 內(nèi)部基準(zhǔn)電壓+4.096V或外接基準(zhǔn)。

● 采樣速率：(116ksps)；

120Aμ(10ksps)；

12Aμ(1ksps)；

300Aμ(關(guān)斷模式)。

● 內(nèi)置T/H（跟蹤/保持）電路。

● 內(nèi)部時(shí)鐘或外部串行時(shí)鐘（頻率范圍為0.1MHz~2.1MHz），可通過(guò)設(shè)置控制字中的PD1、PD0位進(jìn)行選擇。

● 提供一個(gè)硬關(guān)斷（將SHDN引腳置低）和兩個(gè)軟關(guān)斷（通過(guò)編程設(shè)置控制字中的PD1、PD0位來(lái)實(shí)現(xiàn)）模式。

● 與SPI/QSPI/MICROWIRE接口兼容。

2.2 MAX1148的結(jié)構(gòu)

MAX1148采用14位逐次逼近寄存器（SAR）和輸入跟蹤/保持（T/H）電路，實(shí)現(xiàn)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成14位數(shù)字信號(hào)，并用串行方式輸出的功能，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

MAX1148采用20引腳的功能如下：

● CH0-CH7(1-8)：模擬輸入端。

● COM(9)：公共輸入端。單端模式下為模擬負(fù)輸入。單極性和雙極性模式下，當(dāng)轉(zhuǎn)換器輸入不為0，而希望轉(zhuǎn)換結(jié)果為0時(shí)，需在該端輸入相應(yīng)模擬電壓。

● SHDN（10）：關(guān)斷輸入，低電平有效。當(dāng)SHDN置低時(shí)，轉(zhuǎn)換器進(jìn)入硬關(guān)斷模式，轉(zhuǎn)換立即中止。

● REF（11）：內(nèi)部基準(zhǔn)電壓輸出或外部基準(zhǔn)電壓輸入，它是模數(shù)轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓。該電壓決定了ADC輸入范圍和滿(mǎn)量程輸出值。

MAX1148含有一個(gè)內(nèi)部1.25V帶隙基準(zhǔn)，通過(guò)一個(gè)2kΩ電阻接至基準(zhǔn)緩沖器并引至REFADJ引腳。由于MAX1148的基準(zhǔn)緩沖器具有3.277V/V的增益，所以基準(zhǔn)緩沖器輸出引腳 REF直的電壓為4.096V，作為內(nèi)部基準(zhǔn)電壓使用。

如果使用外部基準(zhǔn)電壓，則有兩種使用方式：

（1）禁止內(nèi)部基準(zhǔn)緩沖（將REFADJ端與VDD端直接相連)，將外部基準(zhǔn)電壓(1.5V至VDD+50mV，輸出電流大于210μA)接至REF端即可(如圖3所示)。

(2)將外部基準(zhǔn)電壓連至REFADJ端，通過(guò)內(nèi)部基準(zhǔn)緩沖器，在REF引腳得到幅度為外部基準(zhǔn)電壓乘以基準(zhǔn)緩沖器增益3.277后的SAR ADC基準(zhǔn)電壓(如圖4所示)需要注意的是，在REF引測(cè)得的基準(zhǔn)電壓值必須在1．5V至VDD+50mV之間。

●REFADJ(12)：帶隙基準(zhǔn)輸出和基準(zhǔn)緩沖器輸入。REFADJ連至VDD時(shí)禁止內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)和基準(zhǔn)緩沖放大器，其用法如前所述。

●AGND(13)：模擬地。

●DGND(14)：數(shù)字地。

●DOIJT(15)：串行數(shù)據(jù)輸出。CS置低時(shí)，數(shù)據(jù)在SCLK下降沿同步輸出。CS置高時(shí)，DOUT為高阻態(tài)。

●SsTRB(16)：串行觸發(fā)輸出，反映了ADC轉(zhuǎn)換狀態(tài)。

在內(nèi)部時(shí)鐘模式下，ADC轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)，SSTRB由高變低，轉(zhuǎn)換完成后，SSTRB由低變高并保持兩個(gè)SCLK時(shí)鐘周期為高電平。從第三個(gè)SCLK時(shí)鐘周期開(kāi)始，DOUT輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。

在外部時(shí)鐘模式下，ADC轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)，SSTRB由低變高并保持兩個(gè)SCLK時(shí)鐘周期的高電平。從第三個(gè)SCLK時(shí)鐘周期開(kāi)始，在進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換的同時(shí)，DOUT輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。置高時(shí)，SSTRB為高阻。

●DIN(17)：串行數(shù)據(jù)輸入，用于輸入控制字。CS置低時(shí)，數(shù)據(jù)在SCIK上升沿同步輸入。CS置高時(shí)，DIN為高阻態(tài)。

●CS(18)：片選輸入，低電平有效。只有CS置低時(shí)，數(shù)據(jù)才可同步輸入(DIN)或輸出(DOUT)。

●SCLK(19)：串行時(shí)鐘輸入，是數(shù)據(jù)同步輸入或輸出的移位信號(hào)。在外部時(shí)鐘模式下，無(wú)論是SCLK還是ADC轉(zhuǎn)換時(shí)鐘．都決定了轉(zhuǎn)換速率(SCLK的占空比必須在40％至60％之間)。

●VDD(20)：電源輸入。用0.1μF電容器接至AGND。

3 工作原理

3.1控制字格式

在啟動(dòng)MAXll48進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換之前．必須先由SCLK將控制字從DIN端送入其內(nèi)部輸入移位寄存器，以決定其工作模式并啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。

3.2時(shí)鐘模式

MAXll48可用外部串行時(shí)鐘或內(nèi)部時(shí)鐘兩種模式來(lái)完成逐次逼近轉(zhuǎn)換。但是，不管哪種模式，數(shù)據(jù)的移人和移出都要由外部時(shí)鐘SCLK來(lái)完成。

在外部時(shí)鐘模式下，通過(guò)外部時(shí)鐘SCLK控制數(shù)據(jù)的移入和移出，同時(shí)SCLK還是模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘。在控制字的最后一位移人后，SSTRB由低變高并在保持兩個(gè)SCLK時(shí)鐘周期的高電平后變低。其后14個(gè)SCLK的每一個(gè)下降沿決定逐次逼近轉(zhuǎn)換結(jié)果每位的值，并在DOUT端輸出。需要注意的是，每次模數(shù)轉(zhuǎn)換都必須在較短時(shí)間內(nèi)完成，以避免采樣保持電容器上的壓降對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果帶來(lái)的影響。如果外部串行時(shí)鐘SCLK的頻率低于100kHz。或者由于串行時(shí)鐘的不連續(xù)使得轉(zhuǎn)換時(shí)間超過(guò)140μs，建議使用內(nèi)部時(shí)鐘模式。

在內(nèi)部時(shí)鐘模式時(shí)，MAXll48自身產(chǎn)生轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，并允許微處理器以小于2.1MHz的時(shí)鐘頻率讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。在控制字的最后一位移入后，SSTRB由高變低，待轉(zhuǎn)換完成后由低變高，完成一次轉(zhuǎn)換的時(shí)間最長(zhǎng)為8.0μs。在整個(gè)轉(zhuǎn)換期間，為了得到最佳的噪聲性能，SCLK應(yīng)保持低電平。在SSTRB變?yōu)楦唠娖街?從第二個(gè)SCLK開(kāi)始的每一個(gè)SCLK下降沿，在DOUT端由高到低依次輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果的各位的值。

3.3 A／D轉(zhuǎn)換過(guò)程

MAXll48在時(shí)鐘脈沖的作用下進(jìn)行逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換，一般每24個(gè)時(shí)鐘周期完成一次轉(zhuǎn)換和讀出操作。內(nèi)部時(shí)鐘模式與外部時(shí)鐘模式的時(shí)序如圖5、圖6所示。

A／D轉(zhuǎn)換速度要求不是很高時(shí)，常選用內(nèi)部時(shí)鐘模式?，F(xiàn)以?xún)?nèi)部時(shí)鐘模式為例說(shuō)明MAXll48的工作過(guò)程：

首先根據(jù)系統(tǒng)要求確定MAXll48的控制字，例如，需轉(zhuǎn)換0通道的單端單極性模擬量，控制字為8EH。然后向MAXll48輸入控制字并讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，其步驟為：

(1)使片選端CS變?yōu)榈碗娖讲⒈３植蛔儯藭r(shí)DOUT處于低電平，SSTRB處于高電平；

(2)在DIN輸入端由高到低依次輸入控制字各位的值。

具體做法是：首先使DIN端為高電平(輸入“l(fā)”)，在第一個(gè)SCLK的上升沿將DIN的第一位數(shù)據(jù)“l(fā)”移入內(nèi)部移位寄存器中。即移入START開(kāi)始位：以此類(lèi)推，在后面7個(gè)SCIJK的上升沿分別將輸入DIN端的控制字其他位移入內(nèi)部移位寄存器中；

(3)當(dāng)控制字的最后一位數(shù)據(jù)被移入之后(第8個(gè)SCLK的下降沿)，轉(zhuǎn)換開(kāi)始，SSTRB由高變低；

(4)經(jīng)tcoNv之后，A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束，SSTRB由低變高。

(5)在轉(zhuǎn)換結(jié)束后的任何時(shí)刻，通過(guò)SCLK時(shí)鐘將移位寄存器中的轉(zhuǎn)換結(jié)果(14位二進(jìn)制數(shù))由DOUT端同步移出。具體做法是：從SSTRB置高后的第二個(gè)SCLK時(shí)鐘的下降沿開(kāi)始，利用SCLK時(shí)鐘逐一將轉(zhuǎn)換后的結(jié)果從DOUT端移出，最高有效位在前。

圖5、6

4 MAXll48的應(yīng)用舉例

MAXll48通過(guò)DIN、DOUT、SCLK、SSTRB和CS5個(gè)信號(hào)與微處理器連接，其中，SSTRB是反映ADC轉(zhuǎn)換狀態(tài)的標(biāo)志．可以用查詢(xún)方式和中斷方式監(jiān)視此信號(hào)，以決定何時(shí)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。如果是外部時(shí)鐘模式或內(nèi)部時(shí)鐘模式中的軟件延時(shí)，此信號(hào)可以空置不用。MAXll48與8位微處理器的典型連接如圖7所示。

下面給出內(nèi)部時(shí)鐘模式下完整的轉(zhuǎn)換和控制程序(轉(zhuǎn)換結(jié)果在30H和31H中)，以供參考：

START：CLR P1-3 ：SCLK為低電平

CLR P1.0 ：片選有效

MOV A,#lXXXXXl0B ：控制字送A

MOV R1,#08H ：輸入控制字位數(shù)

LPl：MOV C，ACC.7 ：取控制字并送至DIN端口

MOV P1.1，C

SETB P1.3 ；DIN端口數(shù)據(jù)移入內(nèi)部移

位寄存器

CLR P1.3

RL A ：控制字移位

DJNZ R1，LPl

LP2：JNB P1.4，LP2 ；檢測(cè)SSTRB，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束

SETB P1.3

CLR P1.3

CLR A

MOV R1，#06H ；讀入高6位數(shù)據(jù)

LP3：RL A

SETB P1.3

CLR P1.3

MOV C，P1.2

MOV ACC.0，C

DJNZ R1，LP3

．MOV 30H,A

MOV R1，#08H ；讀入低8位數(shù)據(jù)

LP4：RL A

SETB P1.3

CLR P1.3

MOV C,P1.2

MOV ACC.0,C

DJNZ R1，LP4

MOV 31H,A

STAY：SJMP STAY

END

外部時(shí)鐘模式編程與內(nèi)部時(shí)鐘模式基本相似， 只需把控制字改為#1XXXXXllB，并刪除上述程序中標(biāo)號(hào)為U)2的程序行即可。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，各種串行接口電路的應(yīng)用越來(lái)越多．如串行A／D、D／A及各種接口電路等。與一般ADC器件相比，MAXll48具有單電源供電、自帶內(nèi)部基準(zhǔn)電壓、轉(zhuǎn)換精度高、外圍電路簡(jiǎn)單、占用微處理器口線(xiàn)少、易于連接等優(yōu)點(diǎn)，適用于較復(fù)雜的測(cè)控系統(tǒng)。