基于STM32F103驱动AD9220高速AD数据采集模块采样单端/差分信号

一、AD9220模块简介

AD9220为新代高性能、12位模数转换器，采用单电源供电。具有真12位线性度和温度漂移性能，以及11.5位或更佳的交流性能。
AD9220采用高速、低成本的单CMOS工艺及新颖的架构，分辨率和速度均达到现有混合单芯片方案的水平，而功耗与成本却低得多。内置片内高性能、低噪声采样保持放大器，选用外部基准电压，以满足应用的直流精度与温度漂移要求。器件采用多级差分流水线架构，内置数字输出纠错逻辑，在额定数据速率时可提供12位精度，并保证在整个工作温度范围内无失码。适用于IF下变频的通讯系统。

特性参数

• 模块供电：DC 5V
• 模块电流：20mA(MAX)
• 通讯协议：数据并行
• 模块控制信号电平：3.3V
• 模块输入电压范围：0~5V
• 输入阻抗：1M欧
• ADC分辨率位数：12位
• 采样率：10MSPS
• 输入通道数：1通道
• 基准电压：2.5V，可焊接SOP8封装外部输入基准
• 采样模式：可配置采样电压范围，最大0~5V
• 输出模式：12位数据并行

模块应用

• 电力线监控和保护、多相电机控制、仪表和控制、多轴定位、数据采集等系统

二、AD9220模块接口说明

VINB：模拟输入引脚（-），输入差分信号。下面的焊盘是选择单端输入还是差分输入，默认单端输入。
REF：外部基准输入。下面的焊盘是选择外部基准输入和内部基准输入，默认内部基准输入。

三、AD9220的通讯方式

AD9220采用同步并行接口通讯方式，通讯完全依赖“时钟驱动”，每一个时钟周期完成：模拟采样，内部转换，数据输出。
时序工作流程：

1. 时钟上升沿触发采样，CLK上升沿 → 采样模拟信号。
2. 内部延迟，ADC不是立即输出结果，而是经过几个周期延迟再输出。
3. 数据输出到并行总线。

下图为时序时间和时序图：

四、AD9220的输入范围与输出数据格式

AD9220输出12位数据，D0到D11，D11为最高位，D0位最低位。AD9220支持单端输入和差分输入，模块默认使用单端信号输入。
单端输入范围[Vref - Vref，Vref + Vref]，以基准电压Vref为中点，输出二进制格式如下：

输入	输出
Vref - Vref	0000 0000 0000
Vref(中点)	1000 0000 0000
Vref + Vref	1111 1111 1111

差分输入范围[-Vref，+Vref]，0V为中点，输出二进制格式如下：

输入	输出
-Vre	0000 0000 0000
0V(中点)	1000 0000 0000
+Vref	1111 1111 1111

数据读取：
AD9220的数据不是连续流，而是每个时钟周期更新一次，读取数据需在CLK上升沿到Pipeline Delay延迟内读取。注意：并行数据读取时，12条数据线同时采样，避免IO延迟不一致，布线长度不等。

数据对齐：
由于有Pipeline 延迟，输入信号 ≠ 当前输出数据，实际关系：当前输出 = N个周期前的输入。

其中，转换电压的换算公式：Vol = （采样值 / 4096）* Vref。

五、STM32F103驱动AD9220

准备工作

STM32F103ZET6开发板，AD9220高速AD数据采集模块，导线若干。

引脚接线

STM32F103ZET6	AD9220
PA4	CLK
PC0	D1
PC1	D2
PC2	D3
PC3	D4
PC4	D5
PC5	D6
PC6	D7
PC7	D8
PC8	D9
PC9	D10
PC10	D11
PC11	D12
PC12	D0

代码示例

AD9220.c

#include "AD9220.H"

void AD9220_IO_Init(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure ; 

	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);	 //使能PB,PE端口时钟

	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0| GPIO_Pin_1| GPIO_Pin_2| GPIO_Pin_3| GPIO_Pin_4| GPIO_Pin_5| GPIO_Pin_6| GPIO_Pin_7| GPIO_Pin_8| GPIO_Pin_9| GPIO_Pin_10| GPIO_Pin_11| GPIO_Pin_12; 
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
	GPIO_Init(GPIOC ,&GPIO_InitStructure) ;

	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  GPIO_Pin_4;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_Init(GPIOA ,&GPIO_InitStructure);
}

uint16_t AD9220ReadData(void)
{
  uint16_t data;
	DAC902_CLK = 0;
	data = GPIO_ReadInputData(GPIOC)&0X1FFF;
	data = GPIO_ReadInputData(GPIOC)&0X1FFF;
	data = GPIO_ReadInputData(GPIOC)&0X1FFF;
	data = GPIO_ReadInputData(GPIOC)&0X1FFF;//增加延时
	data = ((data< < 1)&0X1FFF)|(data > >12);//对管脚数据重新排序，详细对应关系查看AD9220.H中定义
	DAC902_CLK = 1;
	return (data&0X0FFF);
}

main.c

#include "sys.h"
#include "ad9220.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"

volatile uint16_t AD_Data = 0;
#define FIFOLEN 8
volatile uint16_t fifoPtr = 0;

int32_t int_sampleVol[8];

#define VREF_mV 2500

int main(void)
{
	char showLcd[30];
	
	AD9220_IO_Init();//AD9220初始化
	
	SystemInit();
	delay_init();	     //延时初始化
	usart_Init(115200);   //串口初始化
	delay_ms(100);
	
	while(1)
	{
		AD_Data = AD9220ReadData();	//AD数据读取
		int_sampleVol[fifoPtr++] = ((int32_t)5000)*((float)((short)AD_Data)/4096);	//单端
//		int_sampleVol[fifoPtr++] = (int32_t)(((float)(AD_Data - 2048) / 2048.0f) * VREF_mV);  //差分
		fifoPtr %= FIFOLEN;
		sprintf(showLcd, "AD9220 Vol = %04dmV", int_sampleVol[0]);	
		usart_SendString(showLcd);
		usart_SendString("rn");

		delay_ms(100);
	}
}

效果展示

单端输入

差分输入，注意：要P4下面焊盘要短接右边焊盘。

六、注意事项与常见问题

注意事项
(1) 模块为低功耗模块，供电电源不超过6V，信号输入电压不可超过5.5V。
(2) 由于模块是高精度器件，为了避免不必要的干扰，建议使 用线性电源供电。
(3) 输出信号线建议尽量短，模块接口为SMA，建议使用同轴线SMA接口的线材。接触不良或劣质的线材可能导致信号衰减或者噪声过大。
(4) 配送的代码仅为配套主控板使用，不提供单片机教程，宝贝详情展示以外的功能需要自行开发。
(5) 如需简单测试模块功能，建议搭配本店控制板使用，正确接线后给控制板供电即可实现信号采集显示。

常见问题
Q：AD9220配合本店主控板能到多少采样率?
A：由于单片机的主频和IO速度不够，我们没有做主控板的最高速度测试，如需达到10MSPS采样率，一般需要用到FPGA等高速逻辑器件。

Q：我想将AD9220的12位分辨力用到1-3V的采集，需要怎么做?
A：根据原理图，AD9220采集的电压范围是Vin=Vb±Ref，即是说需要将Vb=2V，Vref=1V即可。

Q：我用STC51单片机采集的数据怎么不对，有较大跳动，是什么原因？
A：一般来说有两种可能，一是信号本身抖动就比较大，二是通讯电平不兼容，AD9220是3.3V通信电平，用5V-TTL的话会对模块有干扰。

Q：使用AD9220和配套的主控板，AD9220使用5V供电，无法采集到 5V的电压?
A：首先AD9220和主控板之间的电源是需要共地，否则AD9220无法接收和返回正常的信号。这样就无法采集，其次是AD9220做了电源的反接保护，需要采集到5V电压建议供电5.3V左右。但是不可超过5.8V，这样就可以采集到5V的电压。

审核编辑 黄宇