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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.enraytech.cn 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（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，手持式測振儀因為它們需要復(fù)雜的高階模擬抗混迭濾波器、定時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而且在簡化設(shè)計的同時提高了系統(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)的核心部分是一個高分辨率∑-△ADC（MAX1400為18bit）前端包括一個用來切換采樣通道的多路復(fù)用器、用于隔離信號源內(nèi)阻和后級電路輸入阻抗的輸入緩沖器；以及用來將低電平輸入信號放大到適合A/D轉(zhuǎn)換水平的程控增益放大器（PGA）。
除此之外MAX1400內(nèi)部還提供了一個小電流源，在進(jìn)行系統(tǒng)自檢時可以將其接入輸入通道來檢測傳感器的完整性。三個獨(dú)立的DAC用來校正三路輸入信號中的直流成分以使輸入信號落在ADC的量程以內(nèi)。
居于核心位置的∑-△ADC由一個二階∑-△調(diào)制器和數(shù)字抽取濾波器組成時鐘產(chǎn)生及分頻電路用于為ADC提供操作時鐘。由多路開關(guān)選出的輸入信號經(jīng)緩沖、放大后送入∑-△調(diào)制器。∑-△調(diào)制器對輸入信號以遠(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。同時對量化噪聲頻譜化“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內(nèi)部控制邏輯。控制邏輯通過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個可單獨(dú)尋址的寄存器。其中通信寄存器主要控制對內(nèi)部寄存器的訪問（尋址、讀/寫模式選擇）；兩個全局設(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器件的關(guān)瘍；三個傳輸函數(shù)寄存器分別用來設(shè)置對應(yīng)于三個模擬輸入通道的PGA增益和DAC偏移量；一個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（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。對于MAX1400的編程大體可分為四個方面：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。三個傳輸函數(shù)寄存器分別對應(yīng)于三個模擬輸入通道每個寄存器內(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動態(tài)范圍調(diào)整到ADC的量程之內(nèi)以充分利用ADC的有效測量范圍。
對∑-△ADC工作參數(shù)的編程直接影響到整個數(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方面：時鐘頻率選擇調(diào)制頻率選擇數(shù)字抽取因子和濾波器選擇。時鐘頻率選擇包括兩個編程位：CLK和X2CLKCLK用于選擇兩種系統(tǒng)默認(rèn)的時鐘頻率之一（1.024MHz或2.4578MHz）；X2CLK用于控2分頻器，X2CLK=1時分頻器使能允許選擇二倍于內(nèi)部時鐘頻率的晶振或外部時鐘。調(diào)制頻率和調(diào)制頻率對應(yīng)于兩種內(nèi)部時鐘總共有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。另外還有一個控制位FAST用來設(shè)置濾波器階數(shù)。FAST=1時執(zhí)行一階梳狀濾波（NINC1）FSAT=0時執(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濾波時系統(tǒng)具有比較高的影應(yīng)速率在輸入發(fā)生跳變時只需一個轉(zhuǎn)換周期輸出即可達(dá)到穩(wěn)定。SINC3濾波響應(yīng)較慢對于輸入階躍需要三個以上轉(zhuǎn)換周期的輸出建立時間但具有較高的轉(zhuǎn)換精度。有關(guān)時鐘頻率、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)輸出速率與時鐘頻率、調(diào)制器頻率位、濾波器選擇的關(guān)系
時鐘頻率（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量儀表、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)用中采用同一個電源來產(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)生變動時它們所受到的影響能相互抵消因此降低了對電壓穩(wěn)定度的要求可以用同一個電源為MAX1400供電同時產(chǎn)生橋路激勵電流和參考電壓。
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