同步采樣A／D轉(zhuǎn)換器AD7262原理及應(yīng)用

 概述
    AD7262是一款逐步逼近式(SAR)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A／D轉(zhuǎn)換器)。其內(nèi)部有2個跟蹤保持放大器，2個12位的同步采樣A/D轉(zhuǎn)換器，2個可編程的放大器以及2組比較器和2個獨立的數(shù)據(jù)輸出引腳。適用于汽車控制領(lǐng)域及要求高同步、需簡單運算的微弱信號檢測應(yīng)用。因此，這里詳細介紹同步采樣MD轉(zhuǎn)換器AD7262原理及應(yīng)用。

2 AD7262簡介
2．1 主要特點
    AD7262具有高速低功耗同步采樣，最高可達1 MS／s。其內(nèi)部集成的可編程放大器PGA有14種放大增益可供選擇。兩組比較器A、B和C、D用作電機控制或各種電極傳感器的運算器。其中比較器A和B具有低功耗特點，比較器C和D具有高速特點。雙通道差分輸入同時采樣和A／D轉(zhuǎn)換，輸入阻抗大于1 GΩ。單電源+5 V供電。PGA增益為2,-3 dB帶寬為1．7 MHz，信噪比SNR為73 dB；其增益為32時，信噪比為66 dB。輸入直流漏電流±0．001μA，失調(diào)漂移為2．5μV／℃。帶有串行外設(shè)接口SPI，兼容QSPI，MICROWIRE，DSP。該器件具有多種節(jié)能模式，動態(tài)匹配所需內(nèi)部模塊，具有寄存器控制和引腳驅(qū)動兩種工作方式。
2．2 引腳功能
AVcc：模擬電源輸入端，4．75～5．25 V；
CA_CBVCC／CC_CDVCC：比較器的電源輸入端，2．7～5．25 V；
CA_CB_GND／CC_CD_GND：比較器的地輸入端；
VA+/VA-,VB+／VB-：A／D轉(zhuǎn)換器A和B通道的差分模擬輸入端；
VREFA／VREFB：A／D轉(zhuǎn)換器A和B通道的基準電壓輸入輸出端；
SCLK：串行時鐘，SPI通訊時鐘，也是A／D轉(zhuǎn)換過程的時鐘源；
CAL：初始化內(nèi)部失調(diào)校準邏輯輸入；
PD2：節(jié)能模式選擇邏輯輸入；
PD1：節(jié)能模式選擇邏輯輸入；
PD0／DIN：節(jié)能模式選擇邏輯輸入，同時在寄存器控制模式下為數(shù)據(jù)輸入端；
CS：片選輸入端；
CA+/CA-,CB+/CB-：比較器A和B的差分輸入端；
CC+／CC-，CD+/CD-：比較器C和D的差分輸入端；
AGND：模擬地輸入端；
DGND：數(shù)字地輸入端；
COUTA～COUTD：比較器CMOS推拉輸出，使用VDRIVE時，為數(shù)字輸出端；
DOUTA／DOUTB：A／D轉(zhuǎn)換串行數(shù)據(jù)輸出端；
G0～G3：增益倍數(shù)邏輯輸入端，當(dāng)全為低電平時，為寄存器控制工作方式；
VDRIVE：邏輯電源輸入端，2．7～5．25 V；
REFSEL：基準電壓選擇端，高電平使用內(nèi)部基準電壓，低電平使用外部基準電壓。
2．3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)
    圖1為AD7262的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。兩路差分信號通過各自的PGA同步采樣放大后，進入跟蹤保持器，此時由控制邏輯控制2個12位的逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，最后由輸出驅(qū)動器分別串行驅(qū)動輸出至DOUTA和DOUTB。

    在引腳驅(qū)動方式下，G0～G3必須至少有一個高電平。外接的G0～G3決定PGA的放大倍數(shù)。PD2～PD0 3個端口電平控制其內(nèi)部比較器和12位的A／D轉(zhuǎn)換器各模塊的使用或關(guān)閉。在寄存器控制方式下，PD2，PD1，G0～G3全為低電平。PD0／DIN為數(shù)據(jù)輸入端，用于寫入相關(guān)控制寄存器，動態(tài)配置放大倍數(shù)、校準和節(jié)能模式。AD7262以2的補碼輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。
2．4 自動校準
    自動校準是AD7262的主要特點之一。利用CAL引腳校準設(shè)備失調(diào)。設(shè)置CAL為高電平，在下一個CS下降沿完成初始化校準值。失調(diào)校準的完成需要一個完整的轉(zhuǎn)換周期，包括CS下降沿后的19個SCLK周期。如果需要，CAL可保持多于一個轉(zhuǎn)換周期的高電平，且此時AD7262繼續(xù)校準。也可使用控制寄存器初始校準值，設(shè)置控制寄存器的CAL位為1即可實現(xiàn)。注意在下一個CS下降沿，校準會被初始化，AD7262的當(dāng)前轉(zhuǎn)換就失去意義。其A/D轉(zhuǎn)換器必須處于工作狀態(tài)來完成內(nèi)部校準。
    A/D轉(zhuǎn)換器A和B通道具有獨立的外部增益寄存器用以校準信號增益。增益校準寄存器有7位，改變該寄存器以補償增益。MSB是符號位，其他6位為存儲增益倍數(shù)，用于調(diào)整模擬輸入信號的范圍，其校準精度是1/4 096。

3 典型應(yīng)用
3．1 硬件設(shè)計
    圖2為AD7262與ARM處理器LPC2378的典型應(yīng)用電路，實現(xiàn)直流電法勘探中電極A、B電流和電極M、N電壓的采集。采用金屬膜電阻作為采樣電阻以提高測量精度。由于A、B電極之間電壓是對大地供電的電極電壓，一般大于100 V，前端電極中都有高壓隔離電路，該采樣電阻阻值一般小于100 Ω。AD7262工作在寄存器控制方式。在LPC2378的P0．15提供的SCLK的控制時序下，通過P0．18向AD7262的控制寄存器寫入相關(guān)數(shù)據(jù)。CS進入低電平狀態(tài)后，首先由P0．18寫入相關(guān)寄存器數(shù)據(jù)，再開始采樣保持并轉(zhuǎn)換輸出。在寫入寄存器時，DOUTA和DOUTB輸出為三態(tài)。

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    AD7262主要通信方式為SPI四線式。由于AD7262無法控制何時通信，故只能工作在從模式下。主控制器LPC2378的P0．15提供通訊時鐘信號SCLK。CS為片選輸入。DOUTA或DOUTB為SPI的數(shù)據(jù)輸出端。SPI的數(shù)據(jù)輸入端為PD0／DIN。電路設(shè)計時，通過LPC2378向AD7262內(nèi)部寫入相關(guān)數(shù)據(jù)來實現(xiàn)各類動態(tài)配置。圖3和圖4為串行接口讀寫時序圖。串行時鐘SCLK提供轉(zhuǎn)換時鐘及AD7262轉(zhuǎn)換后傳輸信息的控制。對于片內(nèi)2個A／D轉(zhuǎn)換器，AD7262有相應(yīng)的2個輸出引腳。數(shù)據(jù)從AD7262的DOUTA和DOUTB讀取。用戶可選用其中一個輸出數(shù)據(jù)。

    在CS下降沿，跟蹤保持器處于保持模式。此時，采樣、轉(zhuǎn)
換同時被初始化模擬輸入。這需要至少19個SCLK周期。第19個SCLK的下降沿到來時，AD7262恢復(fù)至跟蹤模式，并設(shè)置DOUTA、DOUTB為使能。數(shù)據(jù)流由12位組成，MSB在前。轉(zhuǎn)換結(jié)果MSB在SCLK第19個周期的下降沿由微控制器在第20個時鐘SCLK的下降沿或上升沿讀取。上升沿還是下降沿取決于所使用的SCLK的頻率。如SCLK最大頻率為40 MHz時，其讀取數(shù)據(jù)時間是23 ns，則導(dǎo)致2 ns的建立時間。而這2 ns的建立時間無法與微控制器匹配。在這種情況下，就需要在時鐘SCLK的上升沿開始讀數(shù)據(jù)。這樣，轉(zhuǎn)換結(jié)果的MSB位在第19個SCLK下降沿，延遲15 ns，并在第20個周期SCLK的上升沿才被讀出。依此類推，至第30個SCLK下降沿A／D轉(zhuǎn)換器輸出LSB，在第31個SCLK上升沿讀出。反之，如果SCLK為32 MHz時，則下降沿讀數(shù)據(jù)。在設(shè)計中SPI的通信時鐘頻率(LPC2378的P0.15)小于32 MHz，所以在時鐘的下降沿由LPC2378讀寫數(shù)據(jù)。為提高系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，可加入一定阻值的耦合電容。
3．2 軟件設(shè)計
    AD7262內(nèi)含6個寄存器，分別是A／D轉(zhuǎn)換器的結(jié)果寄存器、控制寄存器、A／D轉(zhuǎn)換器A和B的內(nèi)部失調(diào)寄存器、A／D轉(zhuǎn)換器A和B通道的外部增益寄存器?？刂萍拇嫫鞴灿?2位，其中，RD3～RD0是寄存器選擇位。
    由于LPC2378和AD7262都兼容SPI接口，兩者的編程只需按照時序圖進行即可。此外LPC2378還有許多其他類型接口，所以便于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化,詳細流程參見圖5。

    軟件設(shè)計中需要注意：CAL引腳在CS為低電平前必須至少保持2μs高電平以確保第一個轉(zhuǎn)換周期中校準的準確性。如果在這段時間內(nèi)，CAL出現(xiàn)低電平，將導(dǎo)致校準結(jié)果不準確。但如果繼續(xù)為高電平，下一個校準轉(zhuǎn)換則是準確的。另外在A／D轉(zhuǎn)換過程中，CAL若出現(xiàn)高電平，轉(zhuǎn)換結(jié)果也將不正確。AD7262的校準是在測量過程中，A／D轉(zhuǎn)換前進行的。在測量過程中先校準再采樣保持。與編程寫寄存器，在時序上要分開。此外使用SPI接口，只有硬件復(fù)位是不夠的，還要使用軟件復(fù)位以保證讀寫數(shù)據(jù)的正確性。實際應(yīng)用中，要將數(shù)字和模擬部分地線隔離。整個軟件部分采用串口讀寫寄存器完成。

4 結(jié)束語
    與其他A／D轉(zhuǎn)換器相比，AD7262除了轉(zhuǎn)換速度快、接口簡單、低功耗、控制功能較強的特點外，還具有內(nèi)嵌PGA、自動校準、同步采樣等特點，適合于不同信號強度級別的多種電極傳感器的信號檢測、控制和電機控制系統(tǒng)。目前，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于物理勘探電法實驗儀器中，實現(xiàn)A-B和M-N的電極同步電壓測量，效果較好。