模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7810的原理及應(yīng)用

AD7810是美國(guó)模擬器件公司（ANALOG Devices）生產(chǎn)的一種低功耗10位高速串行A/D轉(zhuǎn)換器。該產(chǎn)品有8腳DIP和SOIC兩種封裝形式，并帶有內(nèi)部時(shí)鐘。它的外圍接線極其簡(jiǎn)單，AD7810的轉(zhuǎn)換時(shí)間為2μs，采用標(biāo)準(zhǔn)SPI同步串行接口輸出和單一電源（2.7V～5.5V）供電。在自動(dòng)低功耗模式下，該器件在轉(zhuǎn)換吞吐率為1kSPS時(shí)的功耗僅為27μW，因此特點(diǎn)適合于便攜式儀表及各種電池供電的應(yīng)用場(chǎng)合使用。

1 AD7810引腳功能

AD7810引腳排列如圖1所示，各引腳的功能如下：

1 腳CONVST：轉(zhuǎn)換啟動(dòng)輸入信號(hào)。

2 腳VIN+：模擬信號(hào)同相輸入端。

3 腳VIN-：模擬信號(hào)反相輸入端。

4 腳GND：接地端口。

5 腳VREF：轉(zhuǎn)換參考電壓輸入端。

6 腳DOUT：串行數(shù)據(jù)輸出端。

7 腳SCLK：時(shí)鐘輸入端。

8 腳VDD：電源端。

2 AD7810主要參數(shù)

AD7810的主要參數(shù)如下：

分辨率：10位二進(jìn)制；

轉(zhuǎn)換時(shí)間：2μs；

非線性誤差：±1LSB；

電源電壓范圍：2.7～5.5V；

電源功耗：高速方式時(shí)為17.5mW，低功耗方式時(shí)為5μW；

參考電壓VEFR范圍：1.2V～VDD；

模擬電壓輸入范圍：0V～VREF；

輸出形式：SPI同步串行輸出，與TTL電平兼容。

3.1 高速模式工

圖2是AD7810工作在高速模式時(shí)的時(shí)序圖。在此模式下，啟動(dòng)信號(hào)CONVST一般處于高電平。在CONVST端輸入一個(gè)負(fù)脈沖，其下降沿將啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換。若采用內(nèi)部時(shí)鐘，那么，轉(zhuǎn)換需要2μs的時(shí)間（圖中t1）。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)（圖中A點(diǎn)），AD7810會(huì)自動(dòng)將轉(zhuǎn)換結(jié)果鎖存到輸出移位寄存器中。此后，在每一個(gè)SCLK脈沖的上升沿，數(shù)據(jù)按由高到低的原則（首先發(fā)送DB9，最后發(fā)送DB0）依次出現(xiàn)在DOUT上。如果在轉(zhuǎn)換還未結(jié)束之前就發(fā)出SCLK信號(hào)來(lái)啟動(dòng)數(shù)據(jù)輸出，那么，在DOUT上出現(xiàn)的將是上一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

啟動(dòng)信號(hào)CONVST應(yīng)在轉(zhuǎn)換結(jié)束前變?yōu)楦唠娖剑磘3應(yīng)小于t1，否則器件將自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式。另外，串行時(shí)鐘SCLK的最高頻率不能超過(guò)20MHz。

3.2 自動(dòng)低功耗模式

圖3是AD7810工作在自動(dòng)低功耗模式時(shí)的時(shí)序圖。在此模式下，啟動(dòng)信號(hào)CONVST為低電平時(shí)，器件處于低功耗休眠狀態(tài)。當(dāng)在CONVST端輸入一個(gè)正脈沖時(shí)，可在其上升沿將器件從休眠狀態(tài)喚醒，喚醒過(guò)程需要1μs的時(shí)間（圖中t2）。當(dāng)器件被喚醒后，系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間也是2μs（圖中t1）。轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，AD7810將轉(zhuǎn)換結(jié)果鎖存到輸出移位寄存器中，同時(shí)自動(dòng)將器件再一次置于低拉耗狀態(tài)。

啟動(dòng)信號(hào)CONVST正脈沖的寬度（圖2中t3）應(yīng)小于1μs，否則器件被喚醒后將不會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，而是將A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)時(shí)間順延至CONVST的睛降沿處。自動(dòng)低功耗模式是AD7810是一大特鐸，一般當(dāng)數(shù)據(jù)吞吐率小于100kSPS時(shí)，應(yīng)使器件工作在此模式下。在5V電源電壓下，當(dāng)數(shù)據(jù)吞吐率為100kSPS時(shí)，器件的功耗2.7mW；而當(dāng)數(shù)據(jù)吞吐率為 10kSPS時(shí)，功耗為270μW；若數(shù)據(jù)吞吐率為1kSPS，則其功耗僅27μW。

4 AD7810的典型應(yīng)用

AD7810應(yīng)用時(shí)幾乎不需外圍元件。圖4所示是其典型應(yīng)用電路，其參考電壓VREF接至VDD，模擬輸入VIN-接至GND，而待轉(zhuǎn)換電壓則從VIN+輸入。

AD7810 幾乎可與各種MCU進(jìn)行接口，圖4中的MCU可以是8051 或PIC16C6X/7X。當(dāng)與PIC16C6X/7X系列單片機(jī)進(jìn)行接口時(shí)，可將SCLK接至單片機(jī)的SCK（RC3），將DOUT接至SDI（RC4），而其啟動(dòng)信號(hào)CONVST則可接至單片機(jī)的任意輸出口上（如RC0）。由于PIC單片機(jī)的 SPI方式每次只能接收8位數(shù)據(jù)，因此10位數(shù)據(jù)應(yīng)分兩次讀取。當(dāng)AD7810與8051接口時(shí)，電路采用的是一種模擬串口方式，AD7810的 SCLK、DOUT和CONVST分別接至8051的P1.0、P1.1和P1.2，只要嚴(yán)格按照AD7810的時(shí)序要求操作，一般接口都不會(huì)有問(wèn)題。這種方式實(shí)際上可擴(kuò)展到所有的MCU種類(lèi)。另外，8051也可利用其串行口工作方式0與AD7810進(jìn)行通訊（圖中未畫(huà)出），但這時(shí)應(yīng)解決好兩個(gè)問(wèn)題：一是由于8051在TXD的上升沿進(jìn)行采樣，這樣，TXD應(yīng)經(jīng)過(guò)一個(gè)反相器再接到SCLK，而將RXD接至DOUT，然后將CONVST接至任意一個(gè)輸出端口。二是8051串行口首先接收低位數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)與AD7810剛好相反，因此，編程時(shí)應(yīng)當(dāng)注意。

下面給出PIC16C6X/7X和8051分別與AD7810進(jìn)行通訊的兩段程序，作者只對(duì)與A/D轉(zhuǎn)換有關(guān)的部分進(jìn)行了編寫(xiě)（常用資源定義、芯片定義等均未列出），兩段程序均可鈄AD7810的工作控制在自動(dòng)低功耗方式。8051與AD7810通訊程序如下：

START：CLR P1.0 ；初始化

SETB P1.0

CLR P1.2

LOOP：CALL CON0

... ；主程序省略

；

；A/D轉(zhuǎn)換子程序，返回時(shí)數(shù)據(jù)低8位在R2中，高2位在R3中

CON0：MOV R1，#`10 ；10位數(shù)據(jù)

MOV R2，#0

SETB P1.2 ；喚醒啟動(dòng)AD7810

CLR P1.2

CON1：SETB P1.0 ；發(fā)送SCLK信號(hào)

MOV C，P1.1 ；讀一位數(shù)據(jù)

CLR P1.0

MOV A，R2 ；數(shù)據(jù)移位

RLC A

MOV R2，A

MOV A，R3

RLC A

MOV R3，A

DJNZ R1，CON1

RET

PIC16C6X/7X與AD7810的通訊程序如下：

REG1 EQU 0X20 ；寄存器定義

REG2 EQU 0X21

CLRF PORTC ；端口初始化

BSF STATUS，RP0

MOVLW 0X30

MOVWF TRISC

BCF STATUS，PR0

BCF SSPCON，SSPEN

MOVLW 0X00 ；SPI初始化

MOVWF SSPCON

BSF SSPCON，SSPEN SPI開(kāi)放

LOOP CALL ADCON

... ；主程序省略

；

；A/D轉(zhuǎn)換子程序，返回時(shí)數(shù)據(jù)低8位在REFG1中，高2位在REG2中

ADCON BSF PORTC，0 ；喚醒啟動(dòng)AD7810

BCF PORTC，0

MOVWF SSPBUF ；啟動(dòng)接收高8位

BSF STATUS，RP0

CON1 BTFSS SSPSTAT,BF ；數(shù)據(jù)已接收？

GOTO CON1 ；沒(méi)有收到

BCF STATUS，RP0

MOVF SSPBUF，W

MOVWF REG1 ；高8位送REG1

MOVWF SSPBUF ；啟動(dòng)接收低2位

BSF STATUS，PR0

CON1 BTFSS SSPSTAT，BF ；數(shù)據(jù)已接收？

GOTO CON1 ；沒(méi)有收到

BCF STATUS，RP0

MOVF SSPBUF，W

ANDLW B11000000 ；保留有效位

MOVWF REG2 ；低2位送REG2

BCF STATUS，C ；進(jìn)位位清零

RLCF REG2，1 ；數(shù)據(jù)調(diào)整

RLCF REG1，1

RLCF REG2，1

RLCF REG1，1 ；低8位

RLCF REG2，1 ；高2位

RETURN

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