24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7190原理及應(yīng)用

朱旭芳+朱小芳

摘要：從芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外部引腳及內(nèi)部工作寄存器3個(gè)方面對(duì)4通道24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7190進(jìn)行了介紹，并以磁場測(cè)量系統(tǒng)為例，介紹了芯片應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：模數(shù)轉(zhuǎn)換器；低噪聲；磁場測(cè)量系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP301

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2015）003-0024-02

0 引言

AD7190是ADI公司推出的一款超低噪聲24位∑—Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）[1]，主要應(yīng)用于電子秤、壓力測(cè)量、溫度測(cè)量、應(yīng)變計(jì)傳感器以及其它一些要求精度高、功耗低的測(cè)量儀器中。本文在磁場測(cè)量系統(tǒng)中使用這一芯片。該芯片可以配置為兩路差分輸入，也可以配置為4路偽差分輸入。芯片內(nèi)部各通道序列器可以通過使能端控制多個(gè)通道，自動(dòng)按順序在各路使能通道上執(zhí)行轉(zhuǎn)換，從而大大簡化了芯片與器件的通信方式。芯片內(nèi)部高精度4.92 MHz時(shí)鐘可以用作模數(shù)轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘源，根據(jù)實(shí)際采樣頻率的需要也可以使用外部時(shí)鐘或晶振。該器件的數(shù)據(jù)輸出速率介于4.7 Hz～4.8 kHz[1-4]。

1 AD7190結(jié)構(gòu)及功能

1.1 AD7190內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)

AD7190的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)及其外部主要引腳如圖1所示。 AD7190主要包括模擬多路開關(guān)（MUX）、可編程增益放大器（PGA）、可編程數(shù)字濾波器、溫度傳感器、內(nèi)部緩沖器、狀態(tài)/控制寄存器、串行SPI 接口、內(nèi)部參考電壓產(chǎn)生器以及時(shí)鐘發(fā)生器等工作模塊。其中，模擬多路開關(guān)（MUX）用于將片外的四路模擬輸入配置為2通道差分輸入或4通道偽差分輸入[5-7]。其中，可編程增益放大器的增益范圍為1～128， 不同的增益有效分辨率不一樣。當(dāng)G=1時(shí)，提供22位有效分辨率； 當(dāng)G=128時(shí)，提供19位有效分辨率。內(nèi)部緩沖器的主要作用是在信號(hào)通路中隔離開關(guān)電容器陣列與外部電路，從而提高輸入阻抗。使用輸入緩沖器時(shí)，AD7190 的輸入變化范圍應(yīng)為AGND+0.25V～AVDD-0.25V。此外，片內(nèi)濾波器的選擇會(huì)影響編程輸出數(shù)據(jù)速率的均方根噪聲和無噪聲分辨率、建立時(shí)間以及50 Hz/60 Hz抑制。

1.2 AD7190的外部引腳

AD7190采用TSSOP封裝，其外部引腳共有24個(gè)。圖1為主要外部引腳，包括模擬部分和數(shù)字部分。引腳按功能可分為模擬和數(shù)字兩種類型。模擬部分主要包括參考電壓輸入引腳、四路外部模擬信號(hào)輸入以及芯片模擬電源輸入引腳。芯片參考電壓可通過內(nèi)部參考電壓產(chǎn)生電路供給，也可通過外部差動(dòng)參考電壓輸入引腳VREF+和VREF-提供。四路模擬輸入可通過AINCOM 端配置為4 通道偽差分輸入，也可以將任意兩個(gè)輸入配置為差分輸入的同相和反相輸入端，組成兩路差分輸入。

數(shù)字電路部分的引腳主要有DIN、DOUT/、SCLK。通過DIN引腳將串行數(shù)據(jù)送到AD7190上的輸入移位寄存器上，用于控制和配置AD7190。DOUT/為串行數(shù)據(jù)輸出和數(shù)據(jù)輸出準(zhǔn)備的復(fù)用引腳，可從這個(gè)引腳上讀出ADC的串行數(shù)據(jù)。SCLK為串行時(shí)鐘引腳，內(nèi)帶施密特觸發(fā)器。

2 AD7190內(nèi)部寄存器

控制AD7190采樣所涉及的片上寄存器主要有通信寄存器（Communications register，CR）、狀態(tài)寄存器（Status register，SR）、模式寄存器（Mode register，MR）、配置寄存器（Configuration register，CON）、數(shù)據(jù)寄存器（Data register，DR）。

通信寄存器是一個(gè)8位的只寫寄存器，通信寄存器的數(shù)據(jù)決定了下一步要進(jìn)行的操作類型與硬件地址[8-11]。

狀態(tài)寄存器是一個(gè)8位的只讀寄存器，通過觀察狀態(tài)寄存器，可以判斷ADC是否正常工作。模式寄存器可設(shè)置工作模式、采樣率、時(shí)鐘源、濾波器等。

AD7190有兩種工作模式，當(dāng)模式寄存器的MR21～MR23被設(shè)置為001（二進(jìn)制）時(shí)，AD7190為單次采樣模式。在此模式下，每次轉(zhuǎn)換都需要一個(gè)完整的濾波器建立時(shí)間。轉(zhuǎn)換完成后芯片發(fā)出轉(zhuǎn)換完成信號(hào)（RDY引腳低電平），同時(shí)進(jìn)入空閑模式（Idle mode）。而當(dāng)模式寄存器的MR21～MR23被設(shè)置為000（二進(jìn)制），同時(shí)MR11置位時(shí)，AD7190為連續(xù)采樣模式。每次采樣都要重新建立濾波器，每次采樣完成后自動(dòng)開始下一單次采樣，而不是空閑模式。本文磁場測(cè)量系統(tǒng)AD7190為單次采樣模式，數(shù)據(jù)輸出速率為320SPS，調(diào)節(jié)時(shí)間為6.25ms，采樣率控制基于單片機(jī)Timer_A的定時(shí)中斷。

配置寄存器可設(shè)置單/雙極性模式、緩沖器使能、參考電壓源選擇、增益、通道選擇等。本系統(tǒng)AD7190工作為非緩沖模式，增益為1，5V參考電壓，雙極性模式測(cè)量[12-13]。

數(shù)據(jù)寄存器是24位只讀寄存器，單片機(jī)從AD7190讀到的數(shù)據(jù)Code與ADC輸入電壓AIN關(guān)系如下：

3 AD7190 應(yīng)用

將該AD7190芯片應(yīng)用到某磁場測(cè)量系統(tǒng)中，用來測(cè)量磁場強(qiáng)度。

由于采用的磁通門磁傳感器能同時(shí)測(cè)量互相垂直的三軸磁場分量，考慮控制方便，系統(tǒng)采用了3片AD7190，為保證采樣信號(hào)同步，3片AD7190均由同一塊單片機(jī)控制。每個(gè)AD7190完成一個(gè)分量磁場信號(hào)的采集[14-15]。單片機(jī)采用美國德州儀器公司的MSP430F2618[2]。其中，測(cè)量系統(tǒng)程序流程如圖2所示。按照前述芯片使用方法，很好地完成了三路信號(hào)采集。

4 結(jié)語

在設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)過程中，除根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)操作外，制作電路時(shí)必須注意以下細(xì)節(jié)，否則難以達(dá)到理想效果。

（1）設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，如果芯片使用的是外部晶振，應(yīng)盡可能使其靠近AD7190。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，晶振離AD7190 越遠(yuǎn)，其輸入時(shí)序的輻值越小，達(dá)不到芯片工作所需的高低電平要求。如時(shí)序輻值太小，可以通過減小接入晶振兩端的電容來增大其輻值。但所采用的電容范圍應(yīng)在0～20pF 之間。

（2）使用SPI 通訊時(shí)必須特別注意單片機(jī)和AD7190中SCLK的極性。

（3）在模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中，為得到穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換結(jié)果，每次改變通道發(fā)送同步信號(hào)前，應(yīng)先增加一段延時(shí)，該延時(shí)時(shí)間不能固定，應(yīng)隨AD 采樣頻率和濾波方式的變化而變化。

（4）在AD7190 片外要將其模擬地和數(shù)字地連接在一起，中間用磁珠隔開，否則AD7190 將無法正常工作。

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（責(zé)任編輯：陳福時(shí)）