基于CPLD的MAX1032采樣控制的方法與實(shí)現(xiàn)

 引言
    本文主要介紹MAX1032采樣芯片以及使用CPLD對MAX1032采樣進(jìn)行控制的方法。事實(shí)上，雖然微控制器也能對MAX1032進(jìn)行方便的控制，但使用CPLD來控制系統(tǒng)外圍設(shè)備，可以節(jié)省微控制器的資源，減輕其負(fù)擔(dān)，同時可以讓其處理更復(fù)雜的信息，而利用CPLD對時序進(jìn)行控制則
更精確。

1 MAX1032的主要功能
    MAX1032是美信公司推出的AD采樣芯片MAX1030-MAX1033系列中一款。該系列是采樣范圍可達(dá)±12 V的多量程、低功耗、14位逐次逼近型串行輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，數(shù)據(jù)傳輸符合SPI協(xié)議。當(dāng)采用+5 V單電源供電時，其轉(zhuǎn)換速率高達(dá)115 ksps。
    MAX1032內(nèi)部主要由模擬輸入復(fù)用器及多通道電路、控制邏輯和寄存器、可編程增益放大器(PGA)逐次逼近數(shù)模轉(zhuǎn)換器(SAR ADC)、串行I／O(Serial I／O)以及先進(jìn)先出寄存器(FIFO)等主要模塊構(gòu)成。
    MAX1032的各引腳功能如下：
    CH0～CH7：模擬信號輸入端。單端輸入范圍為：O～+6 V、-6 V～0、0～+12 V、-12 V～0和±3V；
    ±6 V，±12 V，差分輸入，范圍為：±6 V、±12V和±24V；
    ：片選輸入，低電平有效。只有該端置低，數(shù)據(jù)才可同步輸入(DIN)或輸出(DOUT)；
    DIN：串行數(shù)據(jù)輸入。為低時，DIN上的數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿輸入片內(nèi)；
    SSTRB：串行觸發(fā)輸出。在內(nèi)部時鐘模式下，SSTRB的上升沿跳變表明轉(zhuǎn)換完成；在外部時鐘模式下，SSTRB一直為低電平；
    SCLK：串行時鐘輸入；
    DOUT：串行數(shù)據(jù)輸出。在為低時，DOUT上的數(shù)據(jù)在SCLK的下降沿輸出；置高時，DOUT為高阻狀態(tài)；
    REFCAP：參考電壓旁路端。對于外部參考電壓模式。REFCAP連到AVDD；對于內(nèi)部參考電壓模式，通過一個0．01μf的電容連到AGNDl；
    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端可接由外部電路提供的3．800-4．0136 V的基準(zhǔn)電壓；在內(nèi)部參考電壓模式下。REF端與AGNDl端之間必須連接容量為1μF的濾波電容，該端由芯片內(nèi)部提供4．096 V參考電壓：
    DGNDO：數(shù)字I／O地；
    DGND：數(shù)字地；
    DVDDO：數(shù)字I／O電源輸入。輸入范圍為+2．7～+5．25 V：
    DVDD：數(shù)字電源輸入；
    AVDDl：模擬輸入電源1，輸入范圍為+4．75～+5．25 V：
    AVDD2：模擬輸入電源2，輸入范圍為+4．75～+5．25 V：
    AGNDl：模擬地1；
    AGND2：模擬地2；
    AGND3：模擬地3。
    設(shè)計(jì)時，AGNDl，AGND2，AGND3，DGNDO，DGND必須接到一起。

2 MAX1032的工作原理
    在使用MAX1032進(jìn)行采樣前，通常需要確認(rèn)信號的輸入阻抗在17 kΩ以內(nèi)。
    MAX1032總共有三種工作模式：外部時鐘模式，外部采樣模式和內(nèi)部時鐘模式。本文將針對。MAX1032的外部時鐘模式并結(jié)合CPLD給出實(shí)際的應(yīng)用方案。
    外部時鐘模式：以最快的轉(zhuǎn)換速率達(dá)到最大的吞吐量，由用戶直接控制采樣時，CSn在轉(zhuǎn)換過程中始終為低，這時，用戶可通過SCLK控制A／D的轉(zhuǎn)換并對結(jié)果讀取。SSTRB始終為低，其轉(zhuǎn)換時序圖如圖1所示。SCLK的周期(tCP)必須在272 ns～62 us之間。其中高低電平寬度均需大于109 ns(tCL，tCH)。在CSn由高變低后的40 ns(tCSS)，可以開始對SCLK上跳沿計(jì)數(shù)，DIN的輸入建立時間至少40 ns (tDS)，DIN將在SCLK上跳沿時同步輸入(tDH)，SCLK上跳沿之后，將忽略DIN。在CSn變低之后40 ns(tDV)內(nèi)，DOUT開始有效，而在CSn拉高后40 ns(tTR)內(nèi)，DOUT將輸出保持高阻態(tài)，其時序描述如圖2所示。

    在內(nèi)部時鐘模式，系統(tǒng)將以較快的速率達(dá)到最大的吞吐量，并由內(nèi)部時鐘控制采樣，用戶只需提供一個字節(jié)的SCLK，再拉高CSn，即可啟動轉(zhuǎn)換。和外部采樣模式相同，SSTRB上跳變表示轉(zhuǎn)換完成，此時，用戶便可提供兩個字節(jié)的SCLK來讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。
    在外部采樣模式，系統(tǒng)將以最慢的轉(zhuǎn)換速率達(dá)到最大的吞吐量，并由用戶直接控制采樣，用戶可提供兩個字節(jié)的SCLK，再將CSn拉高，以啟動轉(zhuǎn)換。SSTRB上跳變表示轉(zhuǎn)換完成，用戶提供兩個字節(jié)的SCLK可讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。
    MAX1032總共有三個控制字：模擬輸入配置字、模式控制字和轉(zhuǎn)換啟動字。圖2所示是模擬輸入控制字和模式控制字的工作時序圖。三個控制字均為8位。
    對于模擬輸入配置字，DO～D2是選擇量程的，MAX1032總共有10種量程可以選擇；D3是差分／單端選擇位，為低表示采樣信號為單端輸入．為高表示差分輸入。D4～D6是輸入通道選擇，總共有8個采樣通道。D7是字開始位，置高表示字輸入開始。
    對于模式控制字，D0～D2必須為低，D3必須為高。D4～D6用于工作狀態(tài)選擇，總共有6種工作狀態(tài)。D7是字開始位，同樣，置高表示字輸入啟動。
    轉(zhuǎn)換啟動字D7是字開始位，D4～D2是輸入通道選擇。用法和模擬輸入配置字相同，操作時DO～D3必須為低。
    三個控制字的輸入順序是模擬輸入配置字，模式控制字，轉(zhuǎn)換啟動字。

3 硬件設(shè)計(jì)
    圖3所示是本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。由圖3可見，模擬采樣信號先經(jīng)過一個運(yùn)放。運(yùn)放的作用是降低輸入阻抗。以達(dá)到MAX1032輸入阻抗小于17kΩ的要求。之后，再將利用CPLD控制MAX1032進(jìn)行采樣，采樣結(jié)果回送至CPLD，之后經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)傳到系統(tǒng)，由系統(tǒng)再將一系列二進(jìn)制數(shù)換算成最終的結(jié)果?？驁D里的系統(tǒng)可以是嵌入式微控制器，也可以是數(shù)字輸入輸出卡等控制系統(tǒng)。

    圖4所示是MAX1032的應(yīng)用電路圖。由于MAX1032只允許輸入阻抗小于17 kΩ，而有的采樣信號不一定能滿足這一要求，故需要對采樣信
號進(jìn)行一定處理，以降低信號的輸出阻抗。由于射極跟隨器的輸出阻抗趨于零，故將待采樣信號連到射極跟隨器上可以有效降低其輸出阻抗。本文選用的運(yùn)放為OP07，該運(yùn)放具有很低的輸入失調(diào)電壓和漂移，而且精度相當(dāng)高，適合作為模擬信號前置運(yùn)放。如將OP07接成負(fù)反饋模式，使輸出等于1+R1／R2，并將滑動變阻器R1調(diào)至0Ω，那么它就可以當(dāng)做電壓跟隨器使用。

    圖4中，MAX1032的外部參考電壓由LTC6652提供。LTC6652是高精度電位參考芯片，本文使用4．096 V作為MAX1032外部參考電壓。REFCAP在此模式下可接到5 V電源。由于MAX1032是由CPLD控制，故將DVDDO連到3．3 V。

4 CPLD邏輯設(shè)計(jì)
    CPLD和MAX1032的連接圖如圖5所示。其中，CPLD可以選用Ahera公司的MAXII系列器件EPM240或EPM570。

    CPID的程序設(shè)計(jì)主要由兩部分組成，第一部分是產(chǎn)生MAX1032的控制信號，第二部分是對MAX1032的輸出結(jié)果進(jìn)行處理。
    clk_1MHZ為CPLD時鐘，選1 MHz。通過CPLD可在內(nèi)部對時鐘進(jìn)行分頻，輸出SCLK可作為MAX1032的輸入時鐘。DI由系統(tǒng)給CPLD輸入，作用是選擇MAX1032的控制字，同時也是CPLD的復(fù)位控制。DIN_out是給MAX1032加載的串行控制字，其加載時序可利用計(jì)數(shù)器控制。本例采用外部時鐘模式，模擬輸入配置字為10000110。第七位1是字開始標(biāo)志；六到四位為0表示選擇CH0通道輸入，第三位為0表示采樣信號單端輸入；二到零位為110，表示量程選擇0～12 V。模式控制字為10001000，第七位1是字開始標(biāo)志，六到四位為0表示使用外部時鐘模式。三到零位為100 0是芯片強(qiáng)制輸入。加載完模擬輸入配置字和模式控制字之后，就可以啟動采樣，以加載轉(zhuǎn)換啟動字開始采樣。轉(zhuǎn)換啟動字為10000000時，第七位1是字開始標(biāo)志，六到四位為0表示選擇CH0通道輸入，三到零位為0000是芯片強(qiáng)制輸入。MAX1032控制協(xié)議和SPI類似，在SCLK的上跳沿輸入，下跳沿輸出。片選信號CSn時序利用計(jì)數(shù)器控制，每個控制字之間的CSn必須有一個高脈沖，脈寬至少40 ns(tCSPW)，每個控制字輸入完后，CSn可以立即拉高(tCSH)。以下是可綜合的MAX1032控制程序的主要代碼：
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圖6所示是Modelsim的仿真波形。SCLK上跳沿DIN_out的數(shù)據(jù)被MAX1032讀取。

    程序的第二部分的作用是將MAX1032輸出的串行采樣結(jié)果存入CPLD內(nèi)部的一個14位寄存器。采樣結(jié)果DOUT_in_S是14位的串行序列。CPLD在SCLK的上跳沿讀取數(shù)據(jù)后，可將其存到一個內(nèi)部寄存器，再由DOUT選擇輸出寄存器的高或低八位數(shù)據(jù)讀出。最后的采樣結(jié)果是并行輸出的?？偣?個字節(jié)，末兩位數(shù)據(jù)無效。對于外部時鐘模式，可從加載轉(zhuǎn)換啟動字開始計(jì)算，在第16個SCLK下跳沿，芯片將輸入采樣結(jié)果。得到結(jié)果即可按照公式(采樣電壓=12x(轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制的輸出結(jié)果)／16384)進(jìn)行計(jì)算。以下是這部分功能的可綜合代碼：

    圖7所示是Moddsim仿真的CPLD讀取MAX1032的采樣結(jié)果并將其存入寄存器DOUT_P_buf的仿真圖。由圖可見，在啟動采樣后的第16個SCLK的下跳沿，MAX1032輸出14位串行采樣結(jié)果，CPLD將其存入內(nèi)部寄存器中以待系統(tǒng)讀取。一般在下一次采樣之前，需要將CPLD復(fù)位來清除上一次采樣的數(shù)據(jù)。由于外部時鐘模式下的SSTRB始終為低，故本例沒有對該信號進(jìn)行處理。

5 結(jié)束語
    本文介紹了利用CPLD控制MAX1032進(jìn)行采樣的實(shí)現(xiàn)方法，包括CPLD的內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)和對采樣信號的處理等。實(shí)驗(yàn)證明，該方法能夠適用
需要使用CPLD控制外圍電路的場合。