王曉君 曹光耀 王星
摘要:ADS7956是美國(guó)TI公司推出的一款多通道高精度的A/D轉(zhuǎn)換芯片,它采用的是電壓輸入、邏輯控制、SPI數(shù)據(jù)串行輸出,并具有多通道采集,分辨率高,功耗低,速度快,性能也十分穩(wěn)定等特點(diǎn)。首先簡(jiǎn)要介紹了該芯片ADS7956的性能特點(diǎn)和結(jié)構(gòu),然后重點(diǎn)分析了串口邏輯時(shí)序,討論了可以設(shè)定的三種工作模式,最后給出了該芯片一般的電路應(yīng)用和部分編程代碼,希望在今后的開發(fā)應(yīng)用中,可以對(duì)相關(guān)的專業(yè)人士有一定的指導(dǎo)作用。
關(guān)鍵詞:模數(shù)轉(zhuǎn)換;多通道;ADS7956;SPI串行輸出
中圖分類號(hào):TN79+2? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A? ? ? ? 文章編號(hào):1009-3044(2018)34-0227-03
高性能多通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片被廣泛應(yīng)用于通信、計(jì)算機(jī)和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域,對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)以及科學(xué)研究具有重要意義。一些特定設(shè)備需要同時(shí)采集多路信號(hào),并且對(duì)信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性要求非常高,于是分辨率高、通道數(shù)多、可靠性能高、低功耗、響應(yīng)快的AD芯片越來(lái)越受到關(guān)注和應(yīng)用。
1 性能特點(diǎn)
ADS79XX是TI(德州儀器)公司制造的多通道高精度的A/D轉(zhuǎn)換芯片系列。而ADS7956是其中一款單5V供電,12通道的A/D轉(zhuǎn)換芯片,是通道數(shù)最多的一種。它采用了成熟的CMOS制作工藝,電容性的再區(qū)分設(shè)計(jì)方法,在模擬輸入端有一個(gè)電容陣列,使得這種SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器時(shí)間延遲較短,可以滿足DSP,MCU,F(xiàn)PGA等系統(tǒng)的快速性要求,具有很好的實(shí)時(shí)性。ADS7956擁有10bit的采樣分辨率;47MHz的輸入帶寬和20MHZ的串行通信速率;最低有效位穩(wěn)定至1LSB;輸入電壓信號(hào)的最大值取決于外部參考電壓REFP,可以選擇外接一個(gè)電壓源,它的范圍為2.7~5.25V;持續(xù)工作時(shí)典型功耗為14.5mW;具有超寬的工作溫度范圍:-40~+125°C。此芯片還擁有手動(dòng)、自動(dòng)1和自動(dòng)2這三種工作模式,每種模式都要通過(guò)程序控制寄存器進(jìn)行設(shè)置,來(lái)選擇通道采集的工作方法。
2 芯片結(jié)構(gòu)
ADS7956內(nèi)部包含ADC轉(zhuǎn)換單元、比較器、報(bào)警閾值單元和邏輯控制時(shí)序單元等。APIN引腳是ADC的輸入口,而多路復(fù)用器輸出在MXO的引腳上。通常將二者相連接,可以獨(dú)立處理每個(gè)多路通道的信號(hào)輸入。源阻抗可以設(shè)置在50Ω到10KΩ的范圍內(nèi),如果一旦源阻比較大,另一種選擇是MXO與AINP引腳之間可以連接一個(gè)運(yùn)算放大器,添加一個(gè)通用的ADC驅(qū)動(dòng)程序緩沖區(qū)。這可以在很大程度上放松對(duì)源阻抗的限制。
ADS7956設(shè)有報(bào)警閾值功能,一般根據(jù)自身需要來(lái)使用。Ch0—Ch11共12個(gè)通道,每個(gè)通道有兩個(gè)警報(bào)程序寄存器,一個(gè)用于設(shè)置高警報(bào)閾值,另一個(gè)用于設(shè)置低報(bào)警閾值。警報(bào)程序寄存器中后10位的數(shù)據(jù)表示警報(bào)閾值,將10位報(bào)警閾值與上10位轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行比較。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)果更高(高報(bào)警)或更低(地報(bào)警)時(shí)就會(huì)觸發(fā)警報(bào)。從通道采集到模擬值,經(jīng)AD轉(zhuǎn)換,報(bào)警閾值比較后,輸出數(shù)據(jù)在SDO上。ADS7956的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
SCLK為時(shí)鐘信號(hào),SDO為輸出的數(shù)據(jù)位,每一幀都以CS的下降沿開始。隨著CS信號(hào)的下降,選擇的輸入信號(hào)通道被取樣,轉(zhuǎn)換過(guò)程被啟動(dòng)。設(shè)備在轉(zhuǎn)換的過(guò)程中同時(shí)輸出數(shù)據(jù),16位的數(shù)據(jù)字包含一個(gè)4位通道地址,然后是10位的轉(zhuǎn)換結(jié)果。數(shù)據(jù)按最高有效位(Most Significant Bit,MSB)優(yōu)先的方式逐位寫入移位寄存器。
在可編程通道選擇方式下,通道的選擇是根據(jù)在模式控制寄存器中設(shè)定工作模式,再對(duì)數(shù)據(jù)位進(jìn)行配置確定的。ADS7956有三種工作模式,即手動(dòng)模式、自動(dòng)1模式和自動(dòng)2模式。在手動(dòng)模式下,對(duì)于每一個(gè)通道的選擇,其通道地址必須單獨(dú)配置,比較繁瑣。自動(dòng)1模式下,通道計(jì)數(shù)器可以在每次轉(zhuǎn)換后自動(dòng)增加到下一個(gè)通道,也可以重置到最低的編程通道。自動(dòng)2模式下,通道計(jì)數(shù)器也會(huì)在每次轉(zhuǎn)換后自動(dòng)增加。按著升序方式,自動(dòng)掃描從第0通道到通過(guò)程序寄存器配置的最后一個(gè)通道。三種模式下,都有模式控制寄存器可以設(shè)置。只有自動(dòng)1和自動(dòng)2模式下有程序控制寄存器可以設(shè)置。例如表1為手動(dòng)模式控制寄存器設(shè)置。
4 典型的電路接法
性能良好的轉(zhuǎn)換器需要一個(gè)干凈、低噪音、良好解耦的參考電壓。因?yàn)镽EF5025系列芯片具有很好的穩(wěn)定性,可以使用在高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,所以我們將ADS7956參考信號(hào)輸入端REF連接REF5025的輸出信號(hào)。當(dāng)然,要在REF5025的輸出引腳6與4之間接入一個(gè)10uF電容,起到對(duì)接入ADS芯片的信號(hào)進(jìn)行濾波的作用,使測(cè)得的信號(hào)的數(shù)值更加精確穩(wěn)定。SPI的串行通信接口SDO、SDI、SCLK、和CS引腳引出后可以與主CPU相連接,進(jìn)行通信。電路如下圖3所示:
6 結(jié)語(yǔ)
本文介紹的多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS7956具有串行輸出,功耗少,成本低,精度高,速度快等特點(diǎn),并且易于擴(kuò)展,不易受干擾。如配合適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)理電路和其他外圍電路,此芯片可以輸出高質(zhì)量的波形信號(hào),可以廣泛地應(yīng)用于高精度的控制場(chǎng)合、波形產(chǎn)生電路或精密儀器中。
參考文獻(xiàn):
[1] Barron J, Fleet D, Beauchemin S. Performance of optical flow techniques. International Journal of Computer Vision,1994, 12(1): 42-77.
[2]楊正理,盛昕偉.高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7731的應(yīng)用研究[J].科技信息,2010(19):503-504.
[3] 徐錦鋼. ADC0804芯片在模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中的應(yīng)用研究[A]. 江西省電機(jī)工程學(xué)會(huì).2014年江西省電機(jī)工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集[C].江西省電機(jī)工程學(xué)會(huì):,2014:3.
[4] 張雪娟,吳弋旻.ADS7841芯片在溫度數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換電路中的應(yīng)用[J].科技通報(bào),2011,27(01):109-113.
[5] 王晗,程誠(chéng),施嘉儒.基于ADF4351和FPGA的合成頻率源的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,43(10):34-38+43.
[6] 吳志毅,羅凌.基于AD9914寬帶線性調(diào)頻源的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2015,41(10):30-33.
【通聯(lián)編輯:代影】