8通道24位△-∑型A／D轉(zhuǎn)換器ADS1216的原理及應(yīng)用

摘要：ADS1216是TI公司推出的低功耗、高精度、8通道、24位△-∑型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部集成了輸入模擬多路開關(guān)、輸入緩沖器、可編程增益放大器、可編程數(shù)字濾波器。文中介紹了ADS1216的主要特點、工作原理、典型應(yīng)用實例及應(yīng)用程序，最后給出了ADS1216的一些使用要點及設(shè)計經(jīng)驗。
關(guān)鍵詞：ADS1216；高精度；A／D轉(zhuǎn)換器；SPI

1 ADS1216概述
ADS1216是德州儀器(TI) Burr-Brown現(xiàn)推出針對工業(yè)應(yīng)用、具有業(yè)界較高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。其由模擬多路開關(guān)(MUX)、輸入緩沖器(BUF)、可編程增益放大器(PGA)、二階△-∑調(diào)制器再加一個可編程數(shù)字濾波器組成，整體實現(xiàn)了無噪聲精度、數(shù)據(jù)速率以及多種功能，為設(shè)計人員提供了高精度測量解決方案，主要應(yīng)用于工業(yè)過程控制、液態(tài)／氣態(tài)色譜儀、血液分析、智能送話器、便攜式儀器、壓力傳感器以及其它一些要求高精度、低功耗的測量儀器等要求苛刻的各個領(lǐng)域。
ADS1216的主要特點有：
(1)24位無數(shù)據(jù)丟失：所有數(shù)據(jù)速度和PCA設(shè)置；
(2)低非線性度：±0．0015％；
(3)高達(dá)22比特的無噪聲精度；
(4)數(shù)據(jù)采樣率最大1KSPI；
(5)ADS1216可配置為8路單級輸入或4路差分輸入；
(6)模擬多路開關(guān)具有傳感器檢測功能；
(7)輸入緩沖器；
(8)具有低噪聲可編程增益放大器PGA；
(9)帶有串行外設(shè)接口(SPI)；
(10)可編程數(shù)字濾波器；
(11)片內(nèi)具有自校準(zhǔn)功能；
(12)工作電壓范圍為：2．7～5．25V；
(13)電源功率消耗小于1mW。

2 ADS1216結(jié)構(gòu)原理及寄存器功能
2．1 ADS1216的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理
ADS1216的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由模擬多路開關(guān)(MUX)、輸入緩沖器(BUF)、可編程增益放大器(PGA)、二階△-∑調(diào)制器、可編程數(shù)字濾波器、時鐘發(fā)生器、做控制器、串行SPI接口、128字節(jié)RAM、16個狀態(tài)／控制寄存器、兩個8位DAC以及內(nèi)部參考電壓產(chǎn)生器等組成。模擬信號從AIN0～AIN7引腳輸入，通過多路模擬開關(guān)可將其配置成4路差分輸入或8路單級輸入，通過共同的信號調(diào)制通道，輸入到二階△-∑ADC實現(xiàn)24位A／D轉(zhuǎn)換，通過數(shù)字濾波器，最終以SPI接口的形式輸出數(shù)字信號。

ADS1216采用4線制(時鐘信號SCLK、數(shù)據(jù)輸入DIN、數(shù)據(jù)輸小DOUT和片選CS)SPI通信方式，由于ADS1216無法控制SPT何時開始傳輸，而是由主機(jī)數(shù)據(jù)控制，因此ADS1216只能工作存SPI通信的從模式下，設(shè)計時可通過各種主控制器控制ADS1216片上的寄存器，并通過SPI接口讀寫這些寄存器。通過SPI接口進(jìn)行通訊時，必須保持信號為低電平，引腳用于表明轉(zhuǎn)換是否完成，為低時，說明轉(zhuǎn)換已完成，可以直接通過通道讀取數(shù)據(jù)，通道讀數(shù)據(jù)命令從DOUT引腳上讀出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。SPI通信，可同步發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)也可利用SCLK和DIN，DOUT信號同步移動。根據(jù)POL的不同，在SCLK的上升沿或者下降沿，系統(tǒng)通過DIN向ADS1216發(fā)送數(shù)據(jù)。同樣，系統(tǒng)通過DOUT從ADS1216讀取數(shù)據(jù)。DIN和DOUT也通過一條雙向信號線與主控制器相連。圖2給出了SPI的通訊時序圖。

2．2 主要寄存器
ADS1216工作過程的建立主要通過設(shè)置其寄存器求實現(xiàn)的。這些寄存器包括出廠時所有需要設(shè)置的信息，如采樣模式、外部信號調(diào)理通道開關(guān)、時鐘模式的選擇、模擬輸入是單級輸入還是差分輸入等等。表1給出了ADS1216的寄存器。

下面介紹幾個主要寄存器的功能和使用。
建立寄存器(SETUP)只有低五位可用，高三位已被廠家使用，該寄存器主要用于設(shè)置調(diào)節(jié)器的時鐘速度、內(nèi)部參考電壓選擇，以及數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)位輸出次序。SETUP．4(SPEED)=0，fMOD=fosc／128；SETUP．3(REF EN)=0，fMOD=fosc／256。使用內(nèi)部參考電壓，SETUP3=1。選擇外部參考電壓SETUP．2(REF HI)=0，內(nèi)部參考電壓1．25V；SETUP．2=1，內(nèi)部參考電壓為2．5V。SETUP．1(BUFEN)=0，不使用緩沖器；SETU P．1=1，使用內(nèi)部緩沖器。SETUP．0 (BIT ORDER)=0，數(shù)據(jù)緩沖器高位先輸出，SETUP．0=1，低位先輸出。
多路選擇控制寄存器(MUX)，該寄存器分為兩部分，高四位選擇正相差分輸入，低四位選擇反相差分輸入，當(dāng)高四位或低四位的最高位為1且其它位不全為1時(高四位的最高位和低四位的最高位不能同時為1)，就可以實現(xiàn)八通道為差分輸入，當(dāng)高四位和低四位全為1時，選擇ADS 1216內(nèi)部的溫度傳感器為轉(zhuǎn)換信號。
通過模擬控制寄存器(ACR)的低三位(ACR2、ACR1、ACR0)設(shè)置PGA的放大倍數(shù)，三位可以提供8個放大倍數(shù)，增益步長為2n(n來自ACR)。
通過模式／采樣頻率寄存器(M／DEC1)的第四、五位(SMODE0、SMODE1)設(shè)置數(shù)字濾波器。
SMODE1：SMODE0=00，使用自動濾波模式；
SMODE1：SMODE0=01，使用快速濾波模式；
SMODE1：SMODE0=10，使用Sinc2濾波模式；
SMODE1：SMODE0=11，使用Sinc3濾波模式。不同的濾波模式在很大程度上影響AD轉(zhuǎn)換精度。
24位AD轉(zhuǎn)換結(jié)果分為3個字節(jié)由高到低依次通過SPI接口輸出。

3 ADS1216的應(yīng)用
3．1 ADS1216的硬件設(shè)計
圖3為ADS1216的信號差分輸入的典型應(yīng)用電路圖。該電路為一路差分輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將外部輸入的兩路模擬信號通過多路模擬開關(guān)，傳輸?shù)酵獠抗灿玫男盘栒{(diào)理通道，通過信號調(diào)理通道的調(diào)節(jié)作用，傳輸給24位△-∑型A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過專門優(yōu)化的3階正弦數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波，最后才通過SPI接口傳輸給單片機(jī)進(jìn)行處理。在典型應(yīng)用電路圖中，AIN+和AIN-為差分信號輸入接口，DIN、DOUT、CLK、nCS為與單片機(jī)相連的SPI接口，nDRDY為A／D轉(zhuǎn)換完成的標(biāo)志位。(單片機(jī)電路略)

3．2 ADS1216的應(yīng)用程序
雖然ADS1216具有非常強(qiáng)大的功能，但是應(yīng)用非常容易。ADS1216的片選可以通過硬件使腳接地，也可以通過軟件選通。同理，ADS12 16的復(fù)位也有兩種方式，腳接地或者軟件復(fù)位。通過ADS1216的自校準(zhǔn)命令，可以糾正內(nèi)部和外部的漂移和增益錯誤。通過寫寄存器命令可以初始化狀態(tài)寄存器SETUP，選擇時鐘的速度、是否開啟輸入緩沖器和輸出字節(jié)的順序等。同理可以初始化模擬多路開關(guān)MUX，選擇模擬輸入通道，還可以初始化模擬控制寄存器ACR，選擇可編程增益放大倍數(shù)，最后還可以初始化模式／采樣頻率寄存器M／DEC1，選擇數(shù)字濾波模式。具體的選擇請參考寄存器狀態(tài)圖。
ADS1216的參考應(yīng)用程序如下所示：



4 結(jié)束語
通過作者的實驗，在使用ADS1216時，應(yīng)注意一下幾點：
(1)在ADS1216片外要將模擬地ACND和數(shù)字地DCDN連接在一起，若ACND和DGND之間有電壓存在，將造成ADS1216無法正常工作。
(2)在印制電路板布線時，應(yīng)將外部晶振盡可能地靠近ADS1216，否則將影響輸入的幅值大小，當(dāng)幅值太小時，可能通過減小接入晶振兩端的電容來增大器幅值，其范圍應(yīng)在0～20pF，典型晶振為4．9152M，接入電容為18pF。
(3)為了得到最佳的轉(zhuǎn)換結(jié)果，每次改變初始寄存器值時，例如改變輸入通道，最好自校準(zhǔn)一次。
(4)在使用SPI通訊時必須注意單片機(jī)和ADS1216的SCLK極性，通過POL引腳的設(shè)置使主控制器和ADS1216的SCLK極性一致。
(5)為了得到穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換結(jié)果，可通過軟件濾波的方式進(jìn)行濾波，常用的方法主要有程序判斷濾波法、遞推平均濾波法、最大概率濾波法等。