模数转换器ADS1216的工作原理及应用设计分析

１、ＡＤＳ１２１６概述

ＡＤＳ１２１６是Ｂｕｒｒ－Ｂｒｏｗｎ产品线中的一款新型、高精度、宽动态范围、Δ－∑型８通道２４位ＡＤＣ。它通过ＳＰＩ接口与外界进行信息交换，具有２２位有效分辨率，工作电压范围为２．７Ｖ～５．２５Ｖ。该器件可以通过选择内部缓冲来提高阻抗，并可提供全量程电压５０％的偏移校正，此外，ＡＤＳ１２１６还具有内外两种参考电压供给方式。

ＡＤＳ１２１６主要应用于工业过程控制、液态／气态色谱仪、血液分析、智能变送器、便携式仪器、压力传感器以及其它一些要求高精度、低功耗的测量仪器中。ＡＤＳ１２１６的主要特点如下：

●低非线性度：０．００１５％；

●采用单周期转换模式；

●功耗小于１ｍＷ；

●可配置为８路差分输入；

●具有可编程增益放大器，Ｇ＝１时，可提供２２位有效分辨率； Ｇ＝ １２８时，可提供１９位有效分辨率；

●带有ＳＰＩ通讯接口；

●数据输出速率在１０Ｈｚ～１ｋＨｚ内可编程；

●具有芯片自校准功能。

２、ＡＤＳ１２１６的结构原理及寄存器功能

２．１ ＡＤＳ１２１６的内部结构及工作原理

图１所示为ＡＤＳ１２１６的内部结构和外部主要引脚。ＡＤＳ１２１６内部主要由模拟多路开关（ＭＵＸ）、输入缓冲器（ＢＵＦ）、可编程增益放大器（ＰＧＡ）、二阶Δ－∑调制器、可编程数字滤波器、微控制器、１６个状态／控制寄存器、１２８字节ＲＡＭ、串行ＳＰＩ接口、两个８位ＤＡＣ、内部参考电压产生器以及时钟发生器等组成。其中，输入多路选择器（ＭＵＸ）主要用来提供八路模拟输入差分组合。当模拟输入的通道１被选择为正差分输入通道时，其余的通道则可被选作负的差分输入端。这样，其共地端引脚ＡＩＮＣＯＭ就可以非常方便地实现八通道差分输入。ＡＤＳ１２１６内部还有一个二极管温度传感器，它是否工作可通过对内部ＭＵＸ寄存器的配置来选择。

输入缓冲器（ＢＵＦ）用于在信号通路中隔离开关电容器阵列与外部电路。在没有输入缓冲器时，ＡＤＳ１２１６的输入阻抗为５ＭΩ，当使用ＡＤＳ１２１６内部缓冲器时，其输入电压的波动减小，输入电流增大。其内部输入缓冲器是通过ＢＵＦＦＥＲ引脚和内部ＡＣＲ寄存器的ＢＵＦＦＥＲ位共同控制的。

ＡＤＳ１２１６内部的可编程增益放大器（ＰＧＡ）的放大倍数可以通过ＡＣＲ寄存器设定为１到１２８，增益步长为２。

ＡＤＳ１２１６内部的调节器是一个二阶Δ－∑系统。调节器以ｆＭＯＤ的频率工作，ｆＭＯＤ时钟频率来自外部时钟ｆＯＳＣ。频率的分割来自设置寄存器（ＳＥＴＵＰ）的ＳＰＥＥＤ位。设计时，通过ＳＰＥＥＤ位为１或０可以将ｆＭＯＤ的频率设置为ｆＯＳＣ／２５６或ｆＯＳＣ／１２８。

通过数字滤波器可提高ＡＤＣ的转换精度和分辨率。数字滤波有一定的建立时间。ＡＤＳ１２１６内部可以分为快速建立、ｓｉｎｃ２或ｓｉｎｃ３三种滤波方式。快速方式建立时间最短，但滤波精度也最低，而ｓｉｎｃ３的建立时间最长，但滤波精度最高。

ＡＤＳ１２１６提供有两种参考电压供给方式，上电默认参考电压是内部２．５Ｖ。参考电压的选择可通过ＳＥＴＵＰ寄存器的设置来完成。内部参考电压可选择１．２５Ｖ或２．５Ｖ。参考电压输出端应该有一个０．１μＦ的电容接地。外部参考电压是差动输入，输入范围为０～２．５Ｖ。通过ＡＤＳ１２１６的ＶＲＣＡＰ引脚可为内部参考电压提供一个旁路电容以滤除内部参考电压的噪声，当使用外部参考电压时，该脚可以不连。

ＡＤＳ１２１６采用四线制（时钟信号线ＳＣＬＫ、数据输入线ＤＩＮ、数据输出线ＤＯＵＴ以及片选线ＣＳ）ＳＰＩ通讯方式。ＳＰＩ的最大通信时钟可达ｆｏｓｃ／４。ＡＤＳ１２１６只能工作在ＳＰＩ通讯的从模式下，可通过各种主控制器（如单片机等）给它发送同步传送命令。在ＳＰＩ传送过程中，数据被同步地发送和接收，ＳＣＬＫ和ＤＩＮ、ＤＯＵＴ同步移动。图２所示是ＳＰＩ通讯时序关系，其中ＰＯＬ信号用来控制时钟脉冲的极性。通过ＰＯＬ可选择ＳＣＬＫ是高电平有效还是低电平有效。

ＡＤＳ１２１６使用两种典型的存储器：寄存器和ＲＡＭ。１６个寄存器可直接控制ＡＤＳ１２１６的工作过程，而且这１６个寄存器可以被直接读写。实际上，这些寄存器包括了所有用来配置ＡＤＳ１２１６的部分，比如数据格式、通道选择、参考电压设置等。

整个器件工作过程的建立可通过对１６个独立的寄存器的设置来完成。读或写寄存器或存储器都是以字节为单位的。而寄存器与ＲＡＭ之间的数据传输则是以块为基础来进行的。ＲＡＭ和寄存器之间是相互独立的。

内部存储器（包括寄存器和ＲＡＭ）的地址均为线性的，寄存器地址为００Ｈ～０ＦＨ。为便于八通道数据独立存储以及同寄存器之间进行数据的块传输，１２８字节ＲＡＭ被划分成８个相互独立的块。每一个块的偏移量均为００Ｈ～０ＦＨ。所以，每块各单元的地址可以看作块地址和偏移量的组合。如地址１４Ｈ则等于第一个ＲＡＭ块且偏移量为０４Ｈ的单元。

ＡＤＳ１２１６的同步操作可利用外部时间提供一个精确的同步以用于Ａ／Ｄ转换。它既可通过芯片的ＤＳＹＮＣ引脚提供，也可通过内部ＤＳＹＮＣ命令提供。

２．２ ＡＤＳ１２１６主要寄存器功能

在ＡＤＳ１２１６的１６个寄存器中有五种寄存器是最主要的，表１为这五种寄存器的操作格式。

表1 ADS1216的主要寄存器格式

（１）ＳＥＴＵＰ寄存器（地址为００Ｈ），为建立寄存器；复位值为ｘｘｘ ０１１１０。该寄存器的前三个ＩＤ位由出厂设定；ＳＰＥＥＤ为多路选择器时钟速度，为０时，ｆＭＯＤ＝ｆＯＳＣ／１２８；为１时，ｆＭＯＤ＝ｆＯＳＣ／２５６；ＲＥＦ ＥＮ用于选择参考电压，为０时，使用内部参考；为１时使用外部参考；当ＲＥＦ ＨＩ为０时，内部参考电压为１．２５Ｖ；为１时内部参考为２．５Ｖ；ＢＵＦ ＥＮ用于选择缓冲，为０表示未使用内部缓冲；为１表示使用内部缓冲；ＢＩＴ ＯＲＤＥＲ用于表示数据缓冲器数据位的输出顺序；为０表示高位在先，为１表示低位在先。

（２）ＭＵＸ寄存器（地址０１Ｈ），为多路选择器控制寄存器；复位值为０１Ｈ。其中的ＰＧＡ２？ＰＧＡ１？ＰＧＡ０用于可编程增益放大倍数的选择，具体为：０００＝１， ００１＝２，０１０＝４，０１１＝８，…？１１１＝１２８。

（３）ＡＣＲ寄存器（地址为０２Ｈ），为模拟控制寄存器；复位值为００Ｈ。其中ＤＲＤＹ为数据准备好信号（只读）；Ｕ／Ｂ用于表示数据格式，０为双极性，１为单极性；ＳＭＯＤＥ１和ＳＭＯＤＥ０用于设置滤波模式，００为自动；０１为快速建立滤波模式，１０为Ｓｉｎｃ２滤波方式； １１为Ｓｉｎｃ３滤波；ＤＥＣ１０、ＤＥＣ０９和ＤＥＣ０ ８是采样频率的高三位。

（４）ＥＤＣＤ寄存器（地址０８Ｈ），为采样时间寄存器（低八位），复位值为８０Ｈ。其中，ＰＳＥＬ３？ＰＳＥＬ２？ＰＳＥＬ１？ＰＳＥＬ０和ＮＳＥＬ３？ＮＳＥＬ２？ＮＳＥＬ１？ＮＳＥＬ０分别用于正、负通道选择，００００～０１１１分别表示通道ＡＩＮ０～ＡＩＮ７，１ＸＸＸ表示ＡＩＮＣＯＭ？除均为０或１外？，１１１１表示温度传感器工作。

（５）Ｍ／ＤＥＣ１寄存器（地址为０９Ｈ），为模式和采样频率寄存器，复位值为０７Ｈ。ＡＤＳ１２１６的采样时间变化范围是２０～２０４７（１１位），ＤＥＣ０寄存器是其低八位，而１１位中的高三位在Ｍ／ＤＥＣ１寄存器中，默认的采样频率是１０Ｈｚ（晶振为２．４５７６Ｈｚ）。

３、ＡＤＳ１２１６的应用

３．１ ＡＤＳ１２１６与单片机Ｃ８０５１Ｆ０２０的接口

Ｃ８０５１Ｆ０２０（简称Ｆ０２０）是美国Ｃｙｇｎａｌ公司推出的一种混合信号ＳＯＣ型８位单片机。它可用硬件实现ＳＰＩ串行接口，因此在与ＡＤＳ１２１６进行通讯时，可以省去一般Ｉ／Ｏ口模拟ＳＰＩ通讯的麻烦，而直接采用Ｆ０２０内部的ＳＰＩ通讯控制寄存器进行设置，从而方便地实现与ＡＤＳ１２１６的通讯。笔者在实际设计中，采用一片Ｆ０２０控制四片ＡＤＳ１２１６实现了海水中向上幅照度和向下辐亮度各１２个波段的光信号检测。为了简便起见，图３给出了一片ＡＤＳ１２１６与Ｆ０２０之间的接口电路。图３中，ＡＤＳ１２１６与Ｃ８０５１Ｆ０２０的接口信号有ＳＣＬＫ、Ｄｉｎ、Ｄｏｕｔ、ＣＳ、数据准备好信号ＤＲＤＹ、Ａ／Ｄ转换同步信号ＤＳＹＮＣ以及内部缓冲器使能信号ＢＵＦＦＥＲ。其中ＳＣＬＫ、Ｄｉｎ、Ｄｏｕｔ分别连接在Ｆ０２０的Ｐ０．２、Ｐ０．３、Ｐ０．４，这三个引脚通过Ｆ０２０内部的ＳＰＩ控制寄存器被配置为ＳＰＩ通讯端口，而将其它的信号线直接连接在Ｆ０２０的普通Ｉ／Ｏ口便可以进行位控或状态位的读取。

３．２ 软件流程

根据设计要求，在将本系统运用于海洋光学浮标光学幅照度、辐亮度测量仪中时，针对具体的应用，其主要部分的程序流程如图４所示。

４、小结

通过的设计及实验，在使用ＡＤＳ１２１６时，应注意以下几点：

（１）在ＡＤＳ１２１６片外要将其模拟地和数字地连接在一起，否则ＡＤＳ１２１６将无法正常工作。

（２）在设计印刷电路板时，应将外部晶振尽可能地靠近ＡＤＳ１２１６，笔者在实验中发现：晶振离ＡＤＳ１２１６越远，其输入时序的幅值越小，当幅值太小时，可以通过减小接入晶振两端的电容来增大其幅值，其范围应在０～２０ｐＦ之间。

（３）在使用ＳＰＩ通讯时，必须注意单片机和ＡＤＳ１２１６的ＳＣＬＫ极性，通过ＰＯＬ引脚的设置可使主控制器和ＡＤＳ１２１６的ＳＣＬＫ极性保持一致。

（４）为了得到稳定的转换结果，每次改变通道和发送同步信号前，应先增加一段延时，该延时时间应随ＡＤ采样频率和滤波方式的变化而变化。

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