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文檔簡介
新型24位A/D轉(zhuǎn)換器ADS1240評估小結(jié)
一、概述
ADS1240是具有24位分辨率的高精度、寬動態(tài)特性的Δ-Σ型模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它具有高達(dá)24位的無丟碼特性和21位的有效分辨率。
ADS1240具有可選的輸入緩沖,可以提高輸入阻抗,使其可以直接與變送器或微小電平信號連接。而內(nèi)置的熔斷電流源則可以檢測傳感器的開路或短接狀態(tài)。ADS1240內(nèi)部有一個8位的偏置DAC,可對輸入模擬電壓信號提供高達(dá)半量程的偏置校正。
可編程增益放大器可以選擇放大倍數(shù)從1到128。AD轉(zhuǎn)換通過一個二階的Δ-Σ調(diào)制器和可編程FIR濾波器,可以同時實(shí)現(xiàn)在50Hz和60Hz處的陷波。
ADS1240提供串行接口(SPI),而同時也提供4位的數(shù)字I/0。ADS1240可廣泛地使用于工業(yè)過程控制、色譜分析、血液分析、壓力傳感器、便攜式儀表等高分辨率測量場合。
二、引腳說明
ADS1240使用SSOP-24封裝,體積更小,可以節(jié)省更多的空間。其引腳排列如圖1所示,各引腳的功能如表1所示。
TOPVIEWSSOP-24
圖
SEQ圖\*ARABIC
1
引腳號
引腳名稱
功能描述
1
DVDD
數(shù)字電源
2
DGND
數(shù)字低
3
XIN
晶振引腳1
4
XOUT
晶振引腳2
5
RESET
芯片復(fù)位引腳,低電平有效
6
DSYNC
同步控制引腳,低電平有效
7
PDWN
關(guān)閉電源控制引腳,低電平有效。關(guān)閉電源功能將切斷所有的模擬和數(shù)字電流。
8
DGND
數(shù)字地
9
VREF+
差分參考電壓輸入正端
電壓可取AVdd與AGND之間的任意值。
10
VREF-
差分參考電壓輸入負(fù)端
電壓可取AVdd與AGND之間的任意值。
11
AIN0/D0
模擬信號輸入通道0/數(shù)字I/O通道0
12
AIN1/D1
模擬信號輸入通道1/數(shù)字I/O通道1
13
AIN2/D2
模擬信號輸入通道2/數(shù)字I/O通道2
14
AIN3/D3
模擬信號輸入通道3/數(shù)字I/O通道3
15
AINCOM
模擬信號輸入公共引腳
16
AGND
模擬地
17
AVDD
模擬電源
18
POL
串行時鐘信號極性選擇引腳。
POL=0:正邊沿觸發(fā);POL=1:負(fù)邊沿觸發(fā)。
19
CS
ADS1240片選信號引腳,低電平有效
20
DIN
串行輸入引腳,施密特觸發(fā)
21
DOUT
串行輸出引腳
22
SCLK
串行時鐘信號引腳,施密特觸發(fā)
23
DRDY
數(shù)據(jù)有效性輸出引腳,指示數(shù)據(jù)是否有效。低電平有效。
24
BUFEN
輸入緩沖使能引腳。
表
SEQ表\*ARABIC
1
三、ADS1240結(jié)構(gòu)及工作原理
ADS1240由可編程增益放大器、熔斷電流源、二階Δ-Σ調(diào)制器、可編程數(shù)字濾波器、偏置DAC以及微控制器組成。微處理器中包括有寄存器、串行接口、時鐘產(chǎn)生電路。此外ADS1240還有一個4路多路選通器。結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
圖
SEQ圖\*ARABIC
2
ADS1240各個組成部分的功能如下:
1、輸入多路選通器
ADS1240獨(dú)特的多路選通器前端允許將其4個輸入通道的任意一個組合用作一個差分對實(shí)現(xiàn)差分信號的輸入。通過操作寄存器MUX可以控制該多路選通器的狀態(tài)。結(jié)構(gòu)如圖3所示。
MUX
BurnoutCurrentSourceOn
圖
SEQ圖\*ARABIC
3
2、熔斷電流源
ADS1240片內(nèi)具有熔斷電流源,用于檢測傳感器的開路或短接狀態(tài)。當(dāng)熔斷電流源通過ACR配置寄存器設(shè)置為有效時,該電流源輸出一個2uA的檢測電流,如果傳感器為開路狀態(tài),則數(shù)據(jù)輸出為滿量程,如果傳感器為短接狀態(tài),則數(shù)據(jù)輸出為0。熔斷電流源結(jié)構(gòu)如圖3所示。
3、輸入緩沖
不使用輸入緩沖時ADS1240的輸入阻抗為5MΩ/PGA,使用輸入緩沖后輸入電流為0.5nA。這一功能可以使ADS1240直接與變送器或微小電壓信號連接。
但使用輸入緩沖后輸入信號的電壓范圍降低為(AVDD-1.5)V,模擬部分的功耗也會有一定的上升。
4、可編程增益放大器
可編程增益放大器的放大倍數(shù)可以設(shè)置為1,2,4,8,16,32,64或128,使用可編程增益放大器可以實(shí)際改善A/D轉(zhuǎn)換器的有效分辨率。比如,PGA設(shè)置為1,滿量程為5V,則A/D轉(zhuǎn)換器能夠分辨的最小電壓是1μV(有效分辨率22位);PGA設(shè)置為128,滿量程為40mV,則A/D轉(zhuǎn)換器能夠分辨的最小電壓是75nV(有效分辨率19位)。而如果PGA為1時,則需要一個26位的A/D轉(zhuǎn)換器才可以實(shí)現(xiàn)75nV的最小分辨電壓。
PGA越大則模擬部分的功耗也會越大。
5、程控偏置DAC
ADS1240內(nèi)置8位的偏置DAC,可對輸入模擬電壓信號提供高達(dá)半量程的偏置校正。使用偏置DAC可以充分發(fā)揮PGA的作用,使A/D轉(zhuǎn)換器對信號有更靈活的處理能力。
6、調(diào)制器
ADS1240內(nèi)置的調(diào)制器是一個單回路、二階的系統(tǒng)。調(diào)制器的工作頻率(fMOD)是由外部晶振(fOSC)分頻后得到。調(diào)制器的工作頻率可以通過設(shè)置寄存器SETUP中的SPEED位進(jìn)行選擇,而調(diào)制器的工作頻率與寄存器ACR的DR0、DR1位設(shè)置會共同影響到數(shù)據(jù)輸出頻率(DATARATE)。具體的設(shè)置選項見表1。
表1
7、校準(zhǔn)
通過校準(zhǔn),可以使偏置誤差和增益誤差,甚至是系統(tǒng)誤差都達(dá)到最小。ADS1240提供自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)功能。
在自校準(zhǔn)模式下,零點(diǎn)由器件內(nèi)部差分輸入對短路產(chǎn)生,滿量程點(diǎn)由Vref/PGA電壓產(chǎn)生。自校準(zhǔn)由3條命令來完成:偏置校準(zhǔn)、增益校準(zhǔn)和完整自校準(zhǔn)。
進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)時必須有一個合適的輸入差分信號來配合。系統(tǒng)偏置誤差校準(zhǔn)需要在轉(zhuǎn)換器輸入端提供一個“0”信號,然后自動計算出一個偏置值以抵消偏置誤差,而系統(tǒng)增益誤差校準(zhǔn)需要輸入一個正的“滿量程”信號,然后自動計算出一個值以抵消增益誤差。
校準(zhǔn)應(yīng)該在系統(tǒng)上電后,溫度發(fā)生變化后,或PGA值發(fā)生改變后進(jìn)行。
校準(zhǔn)過程中,量程選擇位RANGE必須設(shè)置為0。如果進(jìn)行校準(zhǔn)時的外部參考電壓大于(AVDD-1.5)伏,則必須關(guān)掉輸入緩沖。由于校準(zhǔn)會消除偏置電壓的影響,因此應(yīng)該在校準(zhǔn)過程后(按需要)進(jìn)行ODAC寄存器配置,否則校準(zhǔn)會導(dǎo)致原先調(diào)節(jié)的偏置電壓失效。
校準(zhǔn)完成后DRDY信號線將變成低電平以指示校準(zhǔn)過程已經(jīng)結(jié)束,數(shù)據(jù)有效。
8、數(shù)字濾波器
ADS1240片內(nèi)有一個可調(diào)線性相位數(shù)字濾波器,用戶可以通過設(shè)置相應(yīng)寄存器來調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)輸出速率,調(diào)節(jié)方法見表1。
當(dāng)晶振為2.4576M時,器件的默認(rèn)輸出速率為15Hz,在50Hz和60Hz陷波頻率處數(shù)字濾波器產(chǎn)生高于90DB的衰減。
如果希望改變數(shù)據(jù)輸出速率,還可以改變外部晶振的頻率,但是隨著晶振頻率的改變,陷波頻率也會跟著改變。比如將晶振換成3.6864MHz,則在默認(rèn)狀態(tài)下,數(shù)據(jù)輸出速率將變成(3.6864/2.4576)×15=22.5Hz,而第一個和第二個陷波頻率則出現(xiàn)在(3.6864/2.4576)×(50和60)=75Hz和90Hz處。
9、外部參考電壓
ADS1240需要一個外部參考電壓,外部參考電壓的選擇需要通過ACR寄存器量程選擇位RANGE來設(shè)置。外部參考電壓是差分的,值是由+VREF和-VREF引腳之間的壓差決定的。任何一個引腳的電壓都可以在AGND和AVDD之間,但是有以下限制:
AVDD=5.0V,RANGE=0,則參考電平不可以超過2.5V;
AVDD=5.0V,RANGE=1,則參考電平不可以超過5V;
AVDD=3.0V,RANGE=0,則參考電平不可以超過1.25V;
AVDD=3.0V,RANGE=1,則參考電平不可以超過2.5V。
10、數(shù)據(jù)I/0接口
ADS1240具有4個模擬輸入、數(shù)字共用接口,這些引腳由模擬電源供電,通過內(nèi)部的寄存器IOCON,DIR和DIO進(jìn)行控制。這些引腳只可以獨(dú)立地作為數(shù)字接口或模擬接口使用,不可同時作為模擬和數(shù)字接口使用。
IOCON寄存器用于控制這些引腳是作為模擬接口還是作為數(shù)字接口。如果這些引腳被設(shè)置成模擬接口,那么DIR和DIO寄存器就不能對這些引腳產(chǎn)生影響。
而如果某引腳被設(shè)置成數(shù)字接口,那么通過DIR寄存器可以設(shè)置該引腳作為輸入或輸出。
DIO寄存器的功能是,輸入時指示數(shù)字接口的狀態(tài),輸出時指定數(shù)字接口的狀態(tài)。
11、串行接口(SPI)
串行接口是標(biāo)準(zhǔn)的四線制SPI接口,通過DIN、DOUT、SCLK、/CS四根線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。ADS1240可以通過POL管腳靈活地選擇串行時鐘的極性。串行時鐘頻率最高可以達(dá)到focs/4。/CS引腳跳高將使串行接口復(fù)位,而當(dāng)/CS引腳為低電平時則可以輸入命令。
串行通訊與DRDY信號無關(guān),DRDY信號只是指示數(shù)據(jù)輸出寄存器DOR的數(shù)據(jù)有效性。
12、DSYNC操作
DSYNC操作的功能是將A/D轉(zhuǎn)換與外部事件同步起來。
DSYNC操作可以通過/DSYNC引腳或同步命令來實(shí)現(xiàn)。
13、復(fù)位
復(fù)位有三種方法:/RESET引腳,SCLK脈沖模式和復(fù)位命令。
14、配置寄存器
通過對16個寄存器的讀寫,可以實(shí)現(xiàn)ADS1240的所有功能設(shè)置。
地址
名稱
功能概述
0
SETUP
熔斷電流源控制,PGA設(shè)置
1
MUX
差分模擬輸入管腳設(shè)置
2
ACR
緩沖選擇,量程選擇,數(shù)據(jù)輸出速率設(shè)置
3
ODAC
偏置DAC設(shè)置
4
DIO
數(shù)字引腳狀態(tài)
5
DIR
數(shù)字引腳I/O選擇
6
IOCON
引腳模擬/數(shù)字功能選擇
7~9
OCR
偏置寄存器(24位)
A~C
FSR
滿量程寄存器(24位)
D~F
DOR
數(shù)據(jù)輸出寄存器(24位)
四、評估板簡介
評估板主要由模擬部分和數(shù)字部分組成。模擬部分包括AD芯片ADS1240、外部基準(zhǔn)電壓源、模擬電源、信號輸入接口,數(shù)字部分包括CPU(SST89C58)、RS-232接口、CPU復(fù)位電路、數(shù)字電源和指示燈。評估板結(jié)構(gòu)如圖4。
模擬電源
數(shù)字電源
RS-232
接口
C
P
U
外部參考
電壓源
ADS1240
信
號
輸
入
接
口
CPU
復(fù)位電路
指示燈
圖
SEQ圖\*ARABIC
4
ADS1240評估板結(jié)構(gòu)簡圖
模擬電源和數(shù)字電源部分都設(shè)計了兩種供電方式,一種是直接使用5V的電源,另一種是使用大于5V的電源然后通過穩(wěn)壓來得到5V的電源。同時在模擬電源與數(shù)字電源之間留有貼片電阻的連接位置,可以使用0歐姆電阻來實(shí)現(xiàn)模擬電源與數(shù)字電源的合二為一。數(shù)字地與模擬地可以使用0歐姆電阻來實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)連接。
ADS1240的外部參考電壓是使用BB公司的2.5V基準(zhǔn)電壓芯片REF1004來獲得的。通過精密電阻的分壓還可以獲得其他的參考電壓。
數(shù)字部分主要是CPU與各個功能模塊的接口。CPU使用的是SST公司的SST89C58芯片,利用SSTEasyIAP軟件可以通過PC機(jī)的串口實(shí)現(xiàn)CPU程序的下載。通過下載SoftICE程序到CPU中,可以配合KEIL集成環(huán)境,實(shí)現(xiàn)內(nèi)嵌式的仿真調(diào)試,方便觀察數(shù)據(jù)。
ADS1240是通過四線制的串行接口(SPI)與CPU進(jìn)行通訊,CPU內(nèi)部通過軟件模擬SPI通訊。
CPU與PC機(jī)COM口通過RS-232接口電路實(shí)現(xiàn)連接。RS-232信號通過9針頭連接到評估板,然后通過評估板上的MAX232芯片將RS-232信號轉(zhuǎn)換成TTL電平信號,實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與CPU的連接。
五、電源、接地與布局
ADS1240評估板是一塊混合信號電路板,上面有模擬電路和數(shù)字電路,元器件的布局、布線以及電源和地線的處理將直接影響到電路性能。數(shù)字電路的頻率高,模擬電路的敏感度強(qiáng),對信號線來說,高頻的信號線盡可能遠(yuǎn)離敏感的模擬電路器件,對地線來說,整個PCB對外界只有一個結(jié)點(diǎn),所以必須在PCB內(nèi)部進(jìn)行處理數(shù)、模共地的問題。
在將A/D轉(zhuǎn)換器的模擬地和數(shù)字地管腳連接在一起時,大多數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換器廠商會建議:將AGND和DGND管腳通過最短的引線連接到同一個低阻抗的地上(注:因?yàn)榇蠖鄶?shù)A/D轉(zhuǎn)換器芯片內(nèi)部沒有將模擬地和數(shù)字地連接在一起,必須通過外部管腳實(shí)現(xiàn)模擬和數(shù)字地的連接),任何與DGND連接的外部阻抗都會通過寄生電容將更多的數(shù)字噪聲耦合到IC內(nèi)部的模擬電路上。按照這個建議,需要把A/D轉(zhuǎn)換器的AGND和DGND管腳都連接到模擬地上,但這種方法會產(chǎn)生諸如數(shù)字信號去耦電容的接地端應(yīng)該接到模擬地還是數(shù)字地的問題。
如果系統(tǒng)僅有一個A/D轉(zhuǎn)換器,上面的問題就很容易解決。如圖4中所示,將
圖
SEQ圖\*ARABIC
5
地分割開,在A/D轉(zhuǎn)換器下面把模擬地和數(shù)字地部分連接在一起。采取該方法時,必須保證任何信號線都不能跨越分割間隙。
如果系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換器較多,例如4個A/D轉(zhuǎn)換器怎樣連接呢?如果在每一個A/D轉(zhuǎn)換器的下面都將模擬地和數(shù)字地連接在一起,則產(chǎn)生多點(diǎn)相連,模擬地和數(shù)字地之間的隔離就毫無意義。而如果不這樣連接,就違反了廠商的要求。
最好的辦法是開始時就用統(tǒng)一地。如圖5所示,將統(tǒng)一的地分為模擬部分和數(shù)字部分。數(shù)字信號線只能在數(shù)字部分布線,而模擬信號線也只能在模擬部分布線。這樣的布局布線既滿
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