24位高精度模数转换器ADSl258的原理应用

2008-12-25 10:53:27来源: 国外电子元器件

  1 概述

  ADSl258是TI公司推出的一款高精度、低功耗、低噪声的16通道(多路复用的)24位△一∑型模数转换器(ADC),其内部集成了输入多路复用器、模拟低通滤波器、数字滤波器等功能。内部有多种控制寄存器,用户通过不同的配置得到不同的A/D采样速率、采样模式、A/D转换精度等。适用于对性能、功耗要求高、模拟通道要求多的数据采集系统

  2 ADSl258主要特点及引脚功能

  2.1 主要特点

  △一∑ADC,24位转换精度,定通道采样速率为125 Ks/s(可编程),自动通道检测通道采样速率为23.7 Ks/s(可编程);

  模拟输入多路复用器可配置成8路差分输入或16路单极输入。多路复用器的输出可通过外部获得,这就能在ADC输入之前采用共享的信号调节通道;

  0.5μV/℃的失调漂移、最大0.001 0%的满量程整数非线性误差;

  工作电压范围为2.7~5.25 V;

  内部带有针对低噪声性能进行了专门优化的5阶正弦数字滤波器;

  带有串行外设接口(SPI);

  与其他ADC相比,ADSl258具有精度高、转换数率快、功耗低、工作性能好等特性,适用于设备与系统监控、数据采集、医疗、航空电子、测试测量等多通道应用场合。

  2.2 引脚功能

  ADSl258采用QFN一48小型封装,各引脚功能定义如下:

  AINO~AINl5:模拟信号输入端;

  GPl00~GPl07:GPIO信号输入/输出端;

  CLKSEL:时钟信号选择输入端;

  SCLK:SPI接口时钟输入端;

  DIN:SPI接口数据输入端;

  DOUT:SPI接口数据输出端;

  DRDY:数据准备好输出端;

  START:数据开始转换信号输入端;

  CS:SPI接口片选端;

  VREFN:参考电压输入端(+);

  VREFP:参考电压输入端(一);

  ADCINN:模拟差分输入端(一);

  ADCINP:模拟差分输入端(+);

  MUXOUTN:多路复用器差分输出端(一);

  MUXOUTP:多路复用器差分输出端(+);

  DVDD:数字电源,2.7~5.25 V;

  RESET:复位端。[page]

  2.3 结构原理

  图l为ADSl258的内部结构框图。ADSl258主要由模拟多路开关(MUX)、可共享的信号调理通道、4阶△一∑ADC、5阶正弦数字滤波器、SPI接口、GPIO接口、时钟发生器、控制器等组成。模拟信号从AINO~AINl5引脚输入,通过多路模拟开关可将其配置成8路差动输入或16路单极输入,通过共用的信号调理通道,输入到4阶△一∑ADC实现24位A/D转换,通过数字滤波器,最终以SPI接口的形式输出数字信号。在使用外部可共享的信号调理通道时,根据实际情况,可关闭所使用的调理通道,只需将寄存器CONFIGO的第4位(BYPAS)置0即可关闭外部调理通道,直接在ADSl258内部实现连接。但是,在大多数使用条件下,为获得更高的A/D转换精度,建议使用外部信号调理通道。

  24位高精度模数转换器ADSl258的原理及应用

  ADSl258采用4线制(时钟信号SCLK、数据输入DIN、数据输出DOUT和片选)SPI通信方式,由于ADSl258无法控制SPI何时开始传输,而是由主机控制数据传输,因此ADSl258只能工作在SPI通信的从模式下,设计时可通过各种主控制器控制ADSl258片上的寄存器,并通过SPI接口读写这些寄存器。通过SPI接口进行通讯时,必须保持CS信号为低电平,DRDY引脚用于表明转换是否完成,DRDY为低时,说明转换已完成,可以直接通过通道读取数据或通道读数据命令从DOUT引脚上读出转换数据。SPI通信,可同步发送和接收数据,而且数据也可利用SCLK和DIN,DOUT信号同步移动。在SCLK的下降沿,系统通过DIN向ADSl258发送数据;而在SCLK的上升沿,系统则通过DOUT从ADSl258读取数据。DlN和DOUT也通过一条双向信号线与主控制器相连。图2给出SPI通讯时序图。

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  2.4 主要寄存器

  ADSl258工作过程的建立主要通过设置其独立寄存器来实现的。这些寄存器包括出厂时所有需要设置的信息,如采样模式、外部信号调理通道开关、时钟模式的选择、模拟输入是单极输入还是差分输入等等。表l给出了ADSl258的主要寄存器。其中CONFIG0和CONFIGl为状态寄存器,MUXSCH为多路固定通道选择寄存器,MUXDIF为多路模拟差分输入配置寄存器,MUXSG0和MUXSGl为模拟单极输入通道选择寄存器。状态寄存器CONFIG0的最高位由制造商设定为0,不能更改。SPIRST决定了ADSl258的SPI接口复位时间,SPIRST=l时其复位时间为4 096fclk;SPIRST=O时则为256fclk。MUXMOD是扫描模式选择位,当MUXMOD=0时采用自动扫描模式;MUXMOD=l时采用固定模式。BYPAS位用于选择是否采用外部信号调理通道选择位,BYPAS=0时,内部多路复用器短接而不使用外部的信号调理通道;BYPAS=l时,输入的模拟信号通过共用的外部信号调理通道传输到24位△一∑ADC转换器。CONGIGl寄存器中的DRATE[1:0]位是A/D转换速率选择位,在自动扫描模式下,DRATE[1:0]=ll=23.739 Ks/s;DRATE[1:O]=10=15.123 Ks/s;DRATE[l:0]=0l=6.168 Ks/s;DRATE[l:O]=Ol=6.168 Ks/s;DRATE[1:0]=00=1.83l Ks/s。

  24位高精度模数转换器ADSl258的原理及应用

  3 典型应用

  3.1 硬件设计

  图3为ADSl258的单极多通道应用电路图。该电路为多路数据采集系统,将外部输入的16路模拟信号通过多路模拟开关,传输到外部共用的信号调理通道,通过信号调理通道的信号调节作用,传输给24位△一∑型A/D转换器进行模数转换,A/D转换结束后,将转换结果通过专门优化的5阶正弦数字滤波器进行滤波,最后才通过SPI接口传输给C805lF120进行处理。

  24位高精度模数转换器ADSl258的原理及应用

  为了提高数据的采集精度,本采集系统采用MAXIM公司的具有高精度和低漂移的4.096 V电压基准MAX6164A。同时由于输入信号的电压范围为O~1 V,为了使输入信号的范围与电压基准相一致,提高采集精度,在信号通过外部信号调理通道时,调整比例因子,即就是R7和R6的值,使输入信号放大4倍,量程为0~4 V,其电压增益AV=1+(2R7/R6),只要选择合适的R7和R6,使AV=4即可满足要求。同时为了提高A/D转换精度,选用R6和R7时尽可能选择高精度的精密电阻。

  3.2 软件设计

  由于C805lFl20和ADSl258都拥有各自的硬件SPI接口,编程比较简单,只要按照ADSl258的时序图编程即可实现软件设计功能,需注意以下事项:使用SPI接口时,要先对行SPI接口进行复位,可采用硬件复位或软件复位,但是即使采用硬件电路复位,使CS信号固定在低电平时,还要进行SPI软件接口复位,否则有可能使SPI读写数据不准确。

  在配置A/D转换速率时,在满足系统条件下,尽量选择转换速率比较低的工作模式,这样可以提高转换精度;

  为达到最佳性能,在电路布局时要使数字信号线与模拟信号线相隔离,可根据实际应用需要,可选择数字电源和模拟电源工作在不同的电压模式。

  4 结语

  ADSl258具有转换速率快、高精度、低功耗、接口简单等优点,非常适合多通道高精度数据采集领域的使用。目前,基于ADSl258的数据采集处理系统已经在某导航系统中使用,并且取得了很好效果。

关键字:数模转换

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2008/1225/article_1217.html
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