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高精度單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)MAX1400的原理及應(yīng)用
來源：東方嘉儀 www.zhongqili.com 點(diǎn)擊：
傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多采用Nyquist率ADC（積分型、逐次比較型、閃爍型等）當(dāng)需要較高分辨率時(shí)（16bit以上）這些傳統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)將面監(jiān)很多困難，手持式測(cè)振儀因?yàn)樗鼈冃枰獜?fù)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(xiàn)起來困難較大成本很高。新型的∑-△A/D轉(zhuǎn)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(shù)字音響產(chǎn)品因而首先在音頻領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。大多數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)換速率的要求低于音頻但精度要求較高也很適合采用∑-△結(jié)構(gòu)的ADC。為此很多模擬器件制造商開發(fā)了專用于數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的∑-△ADC并將數(shù)據(jù)采集普遍需要的模擬前端功能集成在一起如多路復(fù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只需單片IC即可實(shí)現(xiàn)可以直接處理傳感器輸出的微弱信號(hào)而且在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的同時(shí)提高了系統(tǒng)性能并降低了成本。這類產(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IC的性能特點(diǎn)及應(yīng)用要點(diǎn)。
1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)
MAX1400系列及其它同類產(chǎn)品普遍采用的結(jié)構(gòu)的核心部分是一個(gè)高分辨率∑-△ADC（MAX1400為18bit）前端包括一個(gè)用來切換采樣通道的多路復(fù)用器、用于隔離信號(hào)源內(nèi)阻和后級(jí)電路輸入阻抗的輸入緩沖器；以及用來將低電平輸入信號(hào)放大到適合A/D轉(zhuǎn)換水平的程控增益放大器（PGA）。
除此之外MAX1400內(nèi)部還提供了一個(gè)小電流源，在進(jìn)行系統(tǒng)自檢時(shí)可以將其接入輸入通道來檢測(cè)傳感器的完整性。三個(gè)獨(dú)立的DAC用來校正三路輸入信號(hào)中的直流成分以使輸入信號(hào)落在ADC的量程以內(nèi)。
居于核心位置的∑-△ADC由一個(gè)二階∑-△調(diào)制器和數(shù)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。由多路開關(guān)選出的輸入信號(hào)經(jīng)緩沖、放大后送入∑-△調(diào)制器�！�-△調(diào)制器對(duì)輸入信號(hào)以遠(yuǎn)大于Nyquist率的速度進(jìn)行“過采樣”并將各樣本轉(zhuǎn)化為1bit分辨率的高速碼流。同時(shí)對(duì)量化噪聲頻譜化“成形”處理從而使大部分中量化噪聲轉(zhuǎn)移至基帶以外。接下來由數(shù)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(nèi)部控制邏輯�？刂七壿嬐ㄟ^串行接口接收用戶控制命令并設(shè)置各部分電路的工作狀態(tài)及參數(shù)最后將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過串口送出。
2 編程要點(diǎn)
MAX1400內(nèi)部各部分電路的工作狀態(tài)由一組內(nèi)部寄存器控制。這些內(nèi)部寄存器包括8個(gè)可單獨(dú)尋址的寄存器。其中通信寄存器主要控制對(duì)內(nèi)部寄存器的訪問（尋址、讀/寫模式選擇）；兩個(gè)全局設(shè)置寄存器主要用來選擇模擬輸入通道、設(shè)置∑-△調(diào)制頻率、數(shù)字抽取濾波器抽取因子、數(shù)字濾波器頻率響應(yīng)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(shù)寄存器分別用來設(shè)置對(duì)應(yīng)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(shù)據(jù)寄存器用于保存轉(zhuǎn)換結(jié)果。一般情況下每次訪問MAX1400之前都要首先向通信寄存器寫入一個(gè)8bit控制碼以便選定所要訪問的寄存器以及讀/寫操作模式。只有一種情況例外那就是當(dāng)MAX1400工作在掃描模式時(shí)（全局設(shè)置寄存器中的SCAN位置1）在每次轉(zhuǎn)換完成后可以直接讀取24bit數(shù)據(jù)寄存器而不必重新設(shè)置愛信寄存器。對(duì)于MAX1400的編程大體可分為四個(gè)方面：系統(tǒng)工作模式選擇、模擬輸入通道選擇、通道增益和偏移量設(shè)置以及∑-△ADC工作參數(shù)設(shè)置。
系統(tǒng)工作模式選擇通過編程通信寄存器、全局設(shè)置寄存器和特殊功能寄存器中的相位控制位來實(shí)現(xiàn)。MAX1400具有自動(dòng)掃描所有通道和連續(xù)采樣選定通道兩種主要工作方式。另外還具有待機(jī)和掉電兩種省電模式。
模擬輸入通道選擇通過編程全局設(shè)置寄存器1和2中的A1、A0、M1、M0和DIFF位來實(shí)現(xiàn)。通過這些控制位的編程可以設(shè)定輸入多路轉(zhuǎn)換開關(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(shù)寄存器控制。三個(gè)傳輸函數(shù)寄存器分別對(duì)應(yīng)于三個(gè)模擬輸入通道每個(gè)寄存器內(nèi)均包含有設(shè)定PGA增益和DAC偏移量的代碼。通過增益和偏移量的編程可以將輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整到ADC的量程之內(nèi)以充分利用ADC的有效測(cè)量范圍。
對(duì)∑-△ADC工作參數(shù)的編程直接影響到整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度、速率和功耗等關(guān)鍵特性這是該種類型的ADC所特有的。∑-△ADC主要由三部分組成：時(shí)鐘產(chǎn)生電路∑-△調(diào)制器和數(shù)字抽取濾波器。相應(yīng) 軟件編程也分為三個(gè)方面：時(shí)鐘頻率選擇調(diào)制頻率選擇數(shù)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(tǒng)默認(rèn)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(nèi)部時(shí)鐘頻率的晶振或外部時(shí)鐘。調(diào)制頻率和調(diào)制頻率對(duì)應(yīng)于兩種內(nèi)部時(shí)鐘總共有8種調(diào)制頻率可選。調(diào)制頻率越高相應(yīng)的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速率越高但功耗也越大。數(shù)字濾波器抽取因子由FS1、FS0兩閏控制它們直接影響到轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速率和濾波器的陷波頻點(diǎn)。數(shù)字抽取濾波器頻率響應(yīng)為梳狀態(tài)濾波器第一個(gè)陷波頻點(diǎn)正好正應(yīng)于數(shù)據(jù)輸出速率將陷波頻點(diǎn)設(shè)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用來設(shè)置濾波器階數(shù)。FAST=1時(shí)執(zhí)行一階梳狀濾波（NINC1）FSAT=0時(shí)執(zhí)行三階梳狀濾波（NINC3）。該位不影響數(shù)據(jù)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(dāng)選擇SINC1濾波時(shí)系統(tǒng)具有比較高的影應(yīng)速率在輸入發(fā)生跳變時(shí)只需一個(gè)轉(zhuǎn)換周期輸出即可達(dá)到穩(wěn)定。SINC3濾波響應(yīng)較慢對(duì)于輸入階躍需要三個(gè)以上轉(zhuǎn)換周期的輸出建立時(shí)間但具有較高的轉(zhuǎn)換精度。有關(guān)時(shí)鐘頻率、調(diào)制器和抽取因子編程與輸出數(shù)據(jù)速率的關(guān)系見表1所列。
表1 數(shù)據(jù)輸出速率與時(shí)鐘頻率、調(diào)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)換結(jié)果讀取程序流程中MAX1400被設(shè)定為單通道連續(xù)采樣模式。
3 典型應(yīng)用
MAX1400采用SPI/QSPI兼容的三線串行接口非常節(jié)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(cè)量?jī)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(yīng)用中采用同一個(gè)電源來產(chǎn)生傳感器橋路激勵(lì)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(duì)電壓穩(wěn)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(lì)電流和參考電壓。
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