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儀器技術(shù)文章 |
高精度單片數據采集系統MAX1400的原理及應用
來(lái)源：東方嘉儀 www.ghwl1688.com 點(diǎn)擊：
傳統的數據采集系統大多采用Nyquist率ADC（積分型、逐次比較型、閃爍型等）當需要較高分辨率時(shí)（16bit以上）這些傳統的A/D轉換技術(shù)將面監很多困難，手持式測振儀因為它們需要復雜的高階模擬抗混迭濾波器、定時(shí)以及幅度誤差都極小的采樣-保持電路等因而實(shí)現起來(lái)困難較大成本很高。新型的∑-△A/D轉換技術(shù)能夠比較低的成本獲得極高的分辨率（16bit以上）但速度不易做得很高這一點(diǎn)非常符合不需要很高速率但要求較高分辨率的數字音響產(chǎn)品因而首先在音頻領(lǐng)域得到了廣泛應用。大多數數據采集系統對轉換速率的要求低于音頻但精度要求較高也很適合采用∑-△結構的ADC。為此很多模擬器件制造商開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用于數據采集領(lǐng)域的∑-△ADC并將數據采集普遍需要的模擬前端功能集成在一起如多路復用器、可編程增益放大器（PGA）、增益及零點(diǎn)校正等。這樣整個(gè)數據采集系統只需單片IC即可實(shí)現可以直接處理傳感器輸出的微弱信號而且在簡(jiǎn)化設計的同時(shí)提高了系統性能并降低了成本。這類(lèi)產(chǎn)品中具有代表性的有ADI的AD7714系列Cirrus Logic的CS5521系 列Maxim的MAX1400系列等。本文以MAX1400為例簡(jiǎn)單介紹這類(lèi)IC的性能特點(diǎn)及應用要點(diǎn)。
1 內部結構
MAX1400系列及其它同類(lèi)產(chǎn)品普遍采用的結構的核心部分是一個(gè)高分辨率∑-△ADC（MAX1400為18bit）前端包括一個(gè)用來(lái)切換采樣通道的多路復用器、用于隔離信號源內阻和后級電路輸入阻抗的輸入緩沖器；以及用來(lái)將低電平輸入信號放大到適合A/D轉換水平的程控增益放大器（PGA）。
除此之外MAX1400內部還提供了一個(gè)小電流源，在進(jìn)行系統自檢時(shí)可以將其接入輸入通道來(lái)檢測傳感器的完整性。三個(gè)獨立的DAC用來(lái)校正三路輸入信號中的直流成分以使輸入信號落在A(yíng)DC的量程以?xún)取?/span>
居于核心位置的∑-△ADC由一個(gè)二階∑-△調制器和數字抽取濾波器組成時(shí)鐘產(chǎn)生及分頻電路用于為ADC提供操作時(shí)鐘。由多路開(kāi)關(guān)選出的輸入信號經(jīng)緩沖、放大后送入∑-△調制器�！�-△調制器對輸入信號以遠大于Nyquist率的速度進(jìn)行“過(guò)采樣”并將各樣本轉化為1bit分辨率的高速碼流。同時(shí)對量化噪聲頻譜化“成形”處理從而使大部分中量化噪聲轉移至基帶以外。接下來(lái)由數字抽取濾波器濾除帶外噪聲再從高速碼流中抽取出低速、高分辨率的碼流。上述各部分電路受控于一個(gè)內部控制邏輯�？刂七壿嬐ㄟ^(guò)串行接口接收用戶(hù)控制命令并設置各部分電路的工作狀態(tài)及參數最后將轉換結果通過(guò)串口送出。
2 編程要點(diǎn)
MAX1400內部各部分電路的工作狀態(tài)由一組內部寄存器控制。這些內部寄存器包括8個(gè)可單獨尋址的寄存器。其中通信寄存器主要控制對內部寄存器的訪(fǎng)問(wèn)（尋址、讀/寫(xiě)模式選擇）；兩個(gè)全局設置寄存器主要用來(lái)選擇模擬輸入通道、設置∑-△調制頻率、數字抽取濾波器抽取因子、數字濾波器頻率響應和其它工作狀態(tài)；特殊功能寄存器用于控制整個(gè)器件的關(guān)瘍；三個(gè)傳輸函數寄存器分別用來(lái)設置對應于三個(gè)模擬輸入通道的PGA增益和DAC偏移量；一個(gè)24bit的數據寄存器用于保存轉換結果。一般情況下每次訪(fǎng)問(wèn)MAX1400之前都要首先向通信寄存器寫(xiě)入一個(gè)8bit控制碼以便選定所要訪(fǎng)問(wèn)的寄存器以及讀/寫(xiě)操作模式。只有一種情況例外那就是當MAX1400工作在掃描模式時(shí)（全局設置寄存器中的SCAN位置1）在每次轉換完成后可以直接讀取24bit數據寄存器而不必重新設置愛(ài)信寄存器。對于MAX1400的編程大體可分為四個(gè)方面：系統工作模式選擇、模擬輸入通道選擇、通道增益和偏移量設置以及∑-△ADC工作參數設置。
系統工作模式選擇通過(guò)編程通信寄存器、全局設置寄存器和特殊功能寄存器中的相位控制位來(lái)實(shí)現。MAX1400具有自動(dòng)掃描所有通道和連續采樣選定通道兩種主要工作方式。另外還具有待機和掉電兩種省電模式。
模擬輸入通道選擇通過(guò)編程全局設置寄存器1和2中的A1、A0、M1、M0和DIFF位來(lái)實(shí)現。通過(guò)這些控制位的編程可以設定輸入多路轉換開(kāi)關(guān)的工作方式（單端或差分）并選定需要采樣的通道。
通道增益和偏移量由傳輸函數寄存器控制。三個(gè)傳輸函數寄存器分別對應于三個(gè)模擬輸入通道每個(gè)寄存器內均包含有設定PGA增益和DAC偏移量的代碼。通過(guò)增益和偏移量的編程可以將輸入信號動(dòng)態(tài)范圍調整到ADC的量程之內以充分利用ADC的有效測量范圍。
對∑-△ADC工作參數的編程直接影響到整個(gè)數據采集系統的精度、速率和功耗等關(guān)鍵特性這是該種類(lèi)型的ADC所特有的�！�-△ADC主要由三部分組成：時(shí)鐘產(chǎn)生電路∑-△調制器和數字抽取濾波器。相應 軟件編程也分為三個(gè)方面：時(shí)鐘頻率選擇調制頻率選擇數字抽取因子和濾波器選擇。時(shí)鐘頻率選擇包括兩個(gè)編程位：CLK和X2CLKCLK用于選擇兩種系統默認的時(shí)鐘頻率之一（1.024MHz或2.4578MHz）；X2CLK用于控2分頻器，X2CLK=1時(shí)分頻器使能允許選擇二倍于內部時(shí)鐘頻率的晶振或外部時(shí)鐘。調制頻率和調制頻率對應于兩種內部時(shí)鐘總共有8種調制頻率可選。調制頻率越高相應的轉換精度和轉換速率越高但功耗也越大。數字濾波器抽取因子由FS1、FS0兩閏控制它們直接影響到轉換精度、轉換速率和濾波器的陷波頻點(diǎn)。數字抽取濾波器頻率響應為梳狀態(tài)濾波器第一個(gè)陷波頻點(diǎn)正好正應于數據輸出速率將陷波頻點(diǎn)設置在工頻位置將有利于抑制工頻及其諧波的干擾。另外還有一個(gè)控制位FAST用來(lái)設置濾波器階數。FAST=1時(shí)執行一階梳狀濾波（NINC1）FSAT=0時(shí)執行三階梳狀濾波（NINC3）。該位不影響數據輸出速率和濾波器頻響外形（陷波頻點(diǎn)）只影響濾波器滾降速率（頻寬）。當選擇SINC1濾波時(shí)系統具有比較高的影應速率在輸入發(fā)生跳變時(shí)只需一個(gè)轉換周期輸出即可達到穩定。SINC3濾波響應較慢對于輸入階躍需要三個(gè)以上轉換周期的輸出建立時(shí)間但具有較高的轉換精度。有關(guān)時(shí)鐘頻率、調制器和抽取因子編程與輸出數據速率的關(guān)系見(jiàn)表1所列。
表1 數據輸出速率與時(shí)鐘頻率、調制器頻率位、濾波器選擇的關(guān)系
時(shí)鐘頻率（MHz） CLK MF1 MF0 輸出數據速率（bps)
FS1,FS0,(0,0) FS1,SF0(0,1) FS1,FS0(11,0) FS1,FS0(1,1)
1.024 0 0 0 20 25 100 200
1.024 0 0 1 40 50 200 400
1.024 0 1 0 80 100 400 800
1.024 0 1 1 160 200 800 1600
2.4576 1 0 0 50 60 300 600
2.4576 1 0 1 100 120 600 1200
2.45761 1 1 0 200 240 1200 2400
2.4576 1 1 1 400 480 2400 4800
MAX1400的編程及轉換結果讀取程序流程中MAX1400被設定為單通道連續采樣模式。
3 典型應用
MAX1400采用SPI/QSPI兼容的三線(xiàn)串行接口非常節省CPU的I/O口也便于采用光電隔離它的工作電流較低比較適用于便攜式測量?jì)x表、4～20mA環(huán)路供電的變送器、壓力變送器等領(lǐng)域。MAX1400在壓力變送器中的典型應用中采用同一個(gè)電源來(lái)產(chǎn)生傳感器橋路激勵電流和參考電壓這樣在電源電壓發(fā)生變動(dòng)時(shí)它們所受到的影響能相互抵消因此降低了對電壓穩定度的要求可以用同一個(gè)電源為MAX1400供電同時(shí)產(chǎn)生橋路激勵電流和參考電壓。
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