高精度串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX1032的應(yīng)用

1 概述

MAX1032是Maxim公司最新推出的一種多通道、多量程、低功耗、分辨率為14位的串行輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該器件具有轉(zhuǎn)換速率高、功耗低、接口方便等優(yōu)點(diǎn)，特別適合在航空電子、數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制、多媒體、機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用。

2  MAX1032的特性和結(jié)構(gòu)

2.1  MAX1032的特性

(1)輸入通道：八個(gè)單端或四個(gè)差分模擬輸入；

(2)輸入范圍：由軟件編程確定（每通道獨(dú)立）, 單端輸入范圍為0V到+6V、 -6V到0V、 0V到+12V、-12V到0V、 ±3V、±6V及± 12V,；差分輸入范圍為±6V、±12V及±24V ；

(3)接口特性：數(shù)據(jù)和信號(hào)接口電平與SPITM/QSPITM/MICROWIRETM兼容，可以和供電電壓為2.7V至5.25V的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)直接連接；

(4)采樣速率: 115ksps；

(5)基準(zhǔn)電壓：可采用內(nèi)部基準(zhǔn)，也可采用外部基準(zhǔn)，基準(zhǔn)電壓范圍3.800V～4.136V。

2.2    MAX1032的結(jié)構(gòu)

MAX1032內(nèi)置14位逐次逼近寄存器和輸入跟蹤/保持電路，實(shí)現(xiàn)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成14位數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)輸出方式為串行。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳排列分別如圖1、圖2所示。

（1）CH0-CH7：模擬信號(hào)輸入端。

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

（3）DIN：串行數(shù)據(jù)輸入。在CS為低時(shí)，DIN上的數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿時(shí)刻輸入片內(nèi)。

（4）SSTRB：串行觸發(fā)輸出。在內(nèi)部時(shí)鐘模式下，SSTRB的上升沿跳變表明轉(zhuǎn)換完成；在外部時(shí)鐘模式下，SSTRB一直為低電平。

（5）SCLK：串行時(shí)鐘輸入。

（6）DOUT：串行數(shù)據(jù)輸出。在CS為低時(shí)，DOUT上的數(shù)據(jù)在SCLK的下降沿時(shí)刻輸出；CS置高時(shí)，DOUT為高阻狀態(tài)。

（7）REF：內(nèi)部基準(zhǔn)電壓輸出或外部基準(zhǔn)電壓輸入。在外部參考電壓模式下，REF端可連接由外部電路提供的3.800V-4.0136V的基準(zhǔn)電壓；在內(nèi)部參考電壓模式下，REF端與AGND1端之間必須連接容量為1uF的濾波電容。

 
  圖1 圖1 MAX1032的內(nèi)部結(jié)構(gòu)                     圖2  MAX1032的引腳

3 工作原理

在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前，要確認(rèn)被轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)是否滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器只有17KΩ輸入阻抗的要求，然后向MAX1032依次送入信號(hào)輸入控制字和工作模式控制字。

3．1 信號(hào)輸入控制字

信號(hào)輸入控制字用來(lái)選擇被轉(zhuǎn)換的模擬通道、轉(zhuǎn)換方式和轉(zhuǎn)換范圍，其格式如表1所示。

表1 信號(hào)輸入控制字

3.2 工作模式控制字

MAX1032有外部時(shí)鐘、外部采樣、內(nèi)部時(shí)鐘等三種工作模式，通過(guò)表2所示的工作模式控制字進(jìn)行選擇。

（1）    外部時(shí)鐘模式。在此模式下能達(dá)到最快的轉(zhuǎn)換速率。SCLK控制模擬信號(hào)的采集及轉(zhuǎn)換，這樣在模擬信號(hào)的獲取時(shí)，更加便于精度的控制。

（2）    外部采樣模式。在此模式下以最慢的轉(zhuǎn)換速率達(dá)到最大限度的吞吐量。其主要特點(diǎn)是由SCLK控制模擬信號(hào)的采集、內(nèi)部時(shí)鐘控制模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換。在前15個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)CS必須保持低電平，然后發(fā)生跳變并保持高電平。為了得到最佳的轉(zhuǎn)換效果，應(yīng)將DIN和SCLK置空閑位。

（3）    內(nèi)部時(shí)鐘模式。在此模式下，內(nèi)部時(shí)鐘控制模擬信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換，內(nèi)部時(shí)鐘在SCLK的第8個(gè)周期的下降沿后的100ns-400ns時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，其速率大約為4.5MHz。轉(zhuǎn)換結(jié)束后,SSTRB置位高電平、CS置位低電平導(dǎo)出轉(zhuǎn)換結(jié)果。

表2  工作模式控制字

4    應(yīng)用舉例

本文以MAX1032在DS87C520中的應(yīng)用為例，介紹MAX1032與CPU的接口方法與軟件設(shè)
計(jì)。
   
DS87C520介紹

達(dá)拉斯公司生產(chǎn)的DS87C520是一種新型高速全靜態(tài)CMOS單片機(jī)，其引腳和指令集與8051單片機(jī)完全兼容。DS87C520的處理器核心經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)，一個(gè)機(jī)器周期只占4個(gè)時(shí)鐘周期。實(shí)際應(yīng)用表明，若時(shí)鐘頻率相同，DS87C520執(zhí)行相同指令的速度是8051的1.5到3倍，加上DS87C520最高時(shí)鐘頻率為33MHz,而8051僅為12MHz，因此DS87C520為一款高速單片機(jī)，可以滿足高速數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的速率要求。此外，DS87C520還有兩個(gè)全雙工串行口、13個(gè)中斷源、16KB片內(nèi) EPROM、1KB片內(nèi)SRAM、雙數(shù)據(jù)指針、電源電壓下降自動(dòng)復(fù)位、可編程看門狗定時(shí)器等豐富的硬件功能，使其具有了廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域與前景。
   
MAX1032與DS87C520的連接

圖3是MAX1032與DS87C520的應(yīng)用連接。在本例中，我們采取的是內(nèi)部時(shí)鐘模式，工作模式控制字為10101000B。為了提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的抗干擾能力，在MAX1032與DS87C520之間增加了高速光電耦合器6N136，以隔離現(xiàn)場(chǎng)干擾對(duì)計(jì)算機(jī)的影響。對(duì)MAX1032的控制是通過(guò)DS87C520的P1口進(jìn)行的。其中,SSTRB反映了A／D轉(zhuǎn)換的工作狀態(tài)，可以用查詢方式或中斷方式監(jiān)測(cè)該信號(hào)，以便及時(shí)讀取正確的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

程序采用C51語(yǔ)言編寫，并在KEILC51 V6．20環(huán)境下通過(guò)了調(diào)試。程序的編寫思路是：定義DS87C520的P1.0為MAX1032的片選信號(hào)CS，P1.1為數(shù)據(jù)輸入DIN,P1.2為數(shù)據(jù)輸出DOUT，ALE提供MAX1032的時(shí)鐘信號(hào)SCLK。在確定并送入信號(hào)輸入控制字和工作模式控制字后,A/D轉(zhuǎn)換被啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的延時(shí)（A/D轉(zhuǎn)換），SSTRB端發(fā)生上升沿跳變，表明A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。在時(shí)鐘SCLK的作用下，從數(shù)據(jù)輸出端DOUT讀出兩個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度的轉(zhuǎn)換結(jié)果。將讀出的數(shù)據(jù)存入兩個(gè)無(wú)符號(hào)字符變量中，將這2個(gè)字符變量拼成一個(gè)16位無(wú)符號(hào)整型變量作用函數(shù)返回值返回，返回值的低14位有效。

圖3 MAX1032與DS87C520的連接

4．3 軟件設(shè)計(jì)
   
按照?qǐng)D3連接的系統(tǒng)，完整的A/D轉(zhuǎn)換子程序如下：
// 采用P1口作控制
sbit  DOUT = P1^2 ;      // 數(shù)據(jù)輸出
sbit   CS  = P1^0 ;      // MAX1032片選
＃define uint unsigned int
＃define uchar unsigned char
//MAX1032 14位A/D操作程序
uint max1032(void)
{    uchar i;
uchar hbyte,lbyte;
cs=0;                        //低電平有效，開(kāi)始轉(zhuǎn)換
for(i=0;i<8;i++)             //延時(shí)，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束
   {
     _nop_();
   }
SCLK=1;
SCLK=0;
//開(kāi)始讀數(shù)據(jù)
hbyte=0;
for(i=0;i<6;i++)           //高6位
   {
DOUT=1;
SCLK=1;
if (DOUT)
  { hbyte=Ox01; }
SCLK=0;
if (i!=5)
  { hbyte<<=1; }
}
   lbyte=0;
for(i=0;i<8;i++)           //低8位
   {
DOUT=1;
SCLK=1;
if (DOUT)
  { lbyte=Ox01; }
SCLK=0;
if (i!=7)
  { lbyte<<=1;}
}
}

5  結(jié)論

Maxim公司的高性能A/D系列的產(chǎn)品已在多種場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用，如高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、工業(yè)過(guò)程控制、便攜式數(shù)字儀表、醫(yī)療儀器等。本文介紹了Maxim最新推出的14位多通道串行ADC MAX1032的性能和特點(diǎn)，給出了典型的應(yīng)用實(shí)例及程序，讀者可將其靈活運(yùn)用于自己的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。
   
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：作者在介紹最新模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的基礎(chǔ)上，依據(jù)長(zhǎng)期的科研和教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了模數(shù)轉(zhuǎn)換器件與CPU連接時(shí)的抗干擾設(shè)計(jì)。由于串行輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換器引腳少，與CPU的連接簡(jiǎn)單，因此這種設(shè)計(jì)方法具有普遍的指導(dǎo)意義。