高精度串行逐次逼近型ADC MAX1132的工作原理和应用

１、引言

模数转换器（ＡＤＣ）是现代测控中非常重要的环节，它一般分为串行模数转换器和并行模数转换器。后者虽然传输速度快，但引脚多、体积大、占用单片机口线多；而串行ＡＤＣ的传输速率也可以做的很高，并且具有体积小、功耗低、占用单片机口线少等优点。因此，串行ＡＤＣ的应用越来越广泛。

ＭＡＸ１１３２是ＭＡＸＩＭ公司生产的单电源、低功耗、１６位、单／双极性转换的高精度串行逐次逼近型ＡＤＣ。其内部带有跟踪／保持及校准电路，可使用内部或外部参考电压及时钟。采样速率最高可达到２００ｋｓｐｓ？最低消耗电流为７．５ｍＡ。若工作于关闭模式，消耗电流可降低到２．５μＡ。该ＡＤＣ可应用于工业过程控制、数据采集系统、便携式数据记录、医疗或掌上设备以及系统检测等领域。

２、ＭＡＸ１１３２的引脚功能

ＭＡＸ１１３２是可编程的单通道ＡＤＣ，采用２０引脚ＳＳＯＰ封装形式，其引脚排列如图１所示。各引脚的功能如下：

ＲＥＦ：参考电压缓冲输出／ＡＤＣ参考电压输入，可用作模数转换的参考电压；

ＲＥＦＡＤＬ：参考带隙输出端／参考带隙缓冲输入端；

ＡＧＮＤ：模拟地；

ＡＶＤＤ：＋５Ｖ±５％模拟电源；

ＤＧＮＤ：数字地；

ＳＨＤＮ：关闭控制输入端；

Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２：分别为用户可编程输出０，１，２；

ＳＳＴＲＢ：串行选通输出端；

ＤＯＵＴ：串行数据输出端；

ＲＳＴ：复位引脚；

ＳＣＬＫ：串行数据时钟输入端；

ＤＶＤＤ：＋５Ｖ±５％数字电源；

ＤＩＮ：串行数据输入端；

ＣＳ：片选端；

ＣＲＥＦ：旁路缓冲参考端；

ＡＩＮ：模拟输入端。

３、工作原理

ＭＡＸ１１３２通常由时钟将控制字节从串行数据输入端（ＤＩＮ）打入其内部移位寄存器，以决定其工作模式并启动转换。当ＣＳ变低或一次转换（或校准）结束以后，ＤＩＮ端接收到的第一个逻辑“１”被定义为控制字节的开始位（ＭＳＢ）。在该位到达前，由时钟打入ＤＩＮ的逻辑“０”均无效，ＤＩＮ的每位数据均在每个ＳＣＬＫ的上升沿打入ＭＡＸ１１３２内部移位寄存器。值得注意的是：如果在当前的转换完成以前，一个新的开始位被时钟打入的话，当前的转换就会被中断，同时开始新的输入信号采集。

ＭＡＸ１１３２可用外部或内部时钟完成逐次逼近转换，但两种模式均用外部时钟将数据移入器件或从器件中移出。在外部时钟模式下，数据的移入移出和转换步骤均由外部时钟控制。内部时钟模式下的转换时钟由ＭＡＸ１１３２内部时钟发生器产生，速率最高可达８ＭＨｚ。一般要求完成一次转换的周期是８个ＳＣＬＫ的整数倍。ＭＡＸ１１３２具有短采集（２４ＳＣＬＫ）和长采集（３２ＳＣＬＫ）两种工作模式。单极性输入时，直接输出二进制数；双极性输入时，输出的是二进制补码。

ＭＡＸ１１３２还带有３个用户可编程的输出口（Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２），它们均采用推挽式ＣＭＯＳ输出，可用来驱动多路转换开关或ＰＧＡ。这三个编程口在缺省状态下的输出均为零，并且在硬件关闭模式期间均保持不变，此外，它们在上电置位时，也均被置零。

４、ＭＡＸ１１３２的应用

在研制开发的网络地电影像仪系统中，由于需要检测的地电信号的幅值范围较大，检测信号精度要求高，信号采集时间短，而且需要采集的信号通道多，因此对ＡＤＣ的性能提出了很高的要求。而ＭＡＸ１１３２具有双极性转换模式，转换的电压范围可达到－１２Ｖ～＋１２Ｖ，比其他ＡＤＣ转换电压范围要宽；它的精度达到１６位，转换速度最高可达到２００ｋｓｐｓ，足以满足系统对精度和速度的要求；虽然它内部没有集成多路转换开关，但本身带有三个用户可编程输出口，可以很方便地控制一个多路转换开关，以满足系统信号采集通道多的要求；ＭＡＸ１１３２采用单电源供电，内部带有参考电压，可简化外围电路，而且使用方便。基于以上特点，笔者选用了ＭＡＸ１１３２。

图２为ＭＡＸ１１３２与单片机进行接口的电路。图中将ＭＡＸ１１３２的ＣＳ与单片机Ｐ１．０脚相连，ＭＡＸ１１３２的片选端由单片机经Ｐ１．０脚发出信号选通；控制字节由单片机Ｐ１．１脚输出到ＡＤＣ的ＤＩＮ端；转换结果则由Ｐ１．２脚从ＡＤＣ的ＤＯＵＴ端读入单片机，读取转换数据的时钟ＳＣＬＫ可由Ｐ１．４脚依次发出高低电平来构成；Ｐ１．３脚接至表示ＭＡＸ１１３２工作状态的串行选通输出ＳＳＴＲＢ，单片机则通过Ｐ１．３脚查询ＡＤＣ的工作状态；Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２三个输出连接到多路转换开关以控制转换通道的切换，而进行逐次逼近转换的时钟则由ＭＡＸ１１３２内部时钟发生器产生。

本应用选用ＭＡＸ１１３２双极性、内部时钟、短采集模式的工作方式，其工作时序如图３所示。图中，ｔＡＣＱ是采集输入信号的时间，ｔＣＯＮＶ是进行转换所需要的时间。由图可以看出，ＭＡＸ１１３２在片选ＣＳ有效、开始位由ＤＩＮ端打入后即可开始对输入信号的采集，并一直到控制字节Ｐ２位进入其内部移位寄存器以后便可完成对输入信号的采集。因此，当使用ＭＡＸ１１３２的三个用户可编程输出口去控制一个多路开关时，要特别注意对输入通道的切换时间。由于ＭＡＸ１１３２在应用中需要在输入端连接一个缓冲放大器，而这个缓冲放大器在输入信号变化时需要一定的时间去响应信号的变化，所以输入通道应该在信号采集完成以后马上被切换，而不是在转换完成以后再切换。也就是说，对ＭＡＸ１１３２送当前转换通道的控制字节时，就要将下一通道的控制信号（Ｐ２、Ｐ１、Ｐ０）送入其内部移位寄存器中并打开多路开关的下一通道，以确保缓冲放大器有足够的时间响应信号的变化以准确完成转换。此外，串行选通信号ＳＳＴＲＢ在转换开始时为低，转换结束时变高，因此，可以利用它来对单片机产生中断或采用查询方式判断转换是否完成。片选ＣＳ在这种工作方式下可以不保持为低。转换进行时，可由一个内部寄存器存储转换的数据。转换结束后，可由ＳＣＬＫ时钟在任意时刻将数据移出，转换结果的最高位（ＭＳＢ）会在ＳＳＴＲＢ变高后出现在ＤＯＵＴ上。

下面给出一段完整的转换和控制程序，以供参考：

ＳＴＡＲＴ：ＣＬＲ　Ｐ１．０ ；片选有效

ＭＯＶ Ａ，＃０Ａ０Ｈ ；控制字节

ＭＯＶ Ｒ２，＃０８

ＤＩＮ： ＣＬＲ Ｐ１．４

ＲＬＣ Ａ

ＭＯＶ Ｐ１．１，Ｃ ；送控制字

ＳＥＴＢ Ｐ１．４

ＤＪＮＺ Ｒ２，ＤＩＮ

ＣＬＲ Ｐ１．４

ＳＥＴＢ Ｐ１．０

ＷＡＩＴ： ＪＮＢ Ｐ１．３，ＷＡＩＴ

ＳＴＯＲＢ： ＭＯＶ Ｒ７，＃１６

ＣＬＲ Ｐ１．０

ＬＯＯＰ： ＭＯＶ Ｃ，Ｐ１．２ ；读结果

ＭＯＶ Ａ，３１Ｈ

ＲＬＣ Ａ

ＭＯＶ ３１Ｈ，Ａ　 ；存高８位

ＭＯＶ Ａ，３０Ｈ

ＲＬＣ Ａ

ＭＯＶ ３０Ｈ，Ａ 　；存低８位

ＳＥＴＢ Ｐ１．４

ＣＬＲ Ｐ１．４

ＤＪＮＺ Ｒ７，　ＬＯＯＰ

ＳＥＴＢ Ｐ１．０

ＳＡ： ＳＪＭＰ ＳＡ

ＥＮＤ

５、结束语

新型ＡＤＣ芯片ＭＡＸ１１３２与一般ＡＤＣ芯片相比，由于其仅需单一＋５Ｖ供电，同时带有内部基准电压且外围电路简单，因而可简化电路设计。同时，基于ＭＡＸ１１３２的串行接口也易于与单片机进行连接，而且占用单片机口线少，因而能用于较为复杂的系统开发。

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