高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD420及其與MSP430的接口技術(shù)

1 概述
AD420是ADI公司生產(chǎn)的高精度、低功耗全數(shù)字電流環(huán)輸出轉(zhuǎn)換器。AD420的輸出信號(hào)可以是電流信號(hào)，也可以是電壓信號(hào)。其中電流信號(hào)的輸出范圍為4mA~20mA，0mA~20mA或0mA~24mA，具體可通過引腳RANGE SELECTl，RANGE SELECT2進(jìn)行配置。當(dāng)需要輸出電壓信號(hào)時(shí)，它也能從一個(gè)隔離引腳提供電壓輸出，這時(shí)需外接一個(gè)緩沖放大器，可輸出0V～5V，0V~10V，5V或10V電壓。
AD420具有靈活的串行數(shù)字接口(最大速率可達(dá)3.3 Mb/s)，使用方便、性價(jià)比高、抑制干擾能力強(qiáng)，非常適合用于高精度遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。AD420與單片機(jī)的接口方式有2種：3線制和異步制。單片機(jī)系統(tǒng)通過AD420可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的模擬量輸出。其主要特點(diǎn)如下：
寬泛的電源電壓范圍為12 V~32 V，輸出電壓范圍為0V~-2.5 V；
帶有3線模式的SPI或Microwire接口，可采集連續(xù)的模擬輸入信號(hào)，采用異步模式時(shí)僅需少量的信號(hào)線；
數(shù)據(jù)輸出引腳可將多個(gè)AD420器件連接成菊鏈型；
上電初始化時(shí)，其輸出最小值為0 mA，4 mA或O V；
具有異步清零引腳，可將輸出復(fù)位至最小值(0mA、4 mA或0V)；
BOOST引腳可連接一個(gè)外部晶體管來吸收回路電流，降低功耗；
只需外接少量的外部器件，就能達(dá)到較高的精度。
AD420采用24引腳SOIC和PDIP封裝，表1是其引腳功能說明。

2 工作原理
在AD420中，二階調(diào)節(jié)器用于保持最小死區(qū)。從調(diào)節(jié)器發(fā)出的單字節(jié)流控制開關(guān)電流源，兩個(gè)連續(xù)的電阻電容裝置進(jìn)行過濾。電容為電流輸出額外增加的器件。輸出電流則簡(jiǎn)單顯示為4 mA～20 mA，OmA～20mA或0mA～24mA。AD420采用BiCMOS工藝，能夠適合高性能的低電壓數(shù)字邏輯和高電壓模擬電路。
如果需要，AD420同樣能夠提供電壓輸出代替電流環(huán)輸出。增加了一個(gè)額外的電壓放大器使用戶得到OV~5 V，0V～10V，5V或10V的電壓。
AD420有一個(gè)環(huán)路故障檢測(cè)電路。當(dāng)開環(huán)或者供電電壓不足使IOUT電壓超過限制電壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生警報(bào)。故障檢測(cè)端為低電平觸發(fā)，所以可以用一個(gè)上拉電阻器同時(shí)連接至多個(gè)AD420的故障檢測(cè)端，上拉電阻器可以接至VLL端或外接5 V邏輯電壓。
IOUT電流由一個(gè)PMOS晶體管和內(nèi)置放大器控制。內(nèi)置電路提供故障輸出，避免使用窗口限制比較器，這就要求在故障檢測(cè)端輸出有效之前需要一個(gè)實(shí)際的誤差輸出。反之，當(dāng)AD420輸出級(jí)的內(nèi)置放大值低于l V的驅(qū)動(dòng)值時(shí)，信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生。因此，故障輸出端在跳轉(zhuǎn)限制達(dá)到要求之前保持不變。由于比較在輸出放大反饋網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行，輸出精度通過開環(huán)增益保持穩(wěn)定，在故障檢測(cè)輸出變?yōu)橛行е皼]有輸出誤差。3個(gè)數(shù)字接口，包括數(shù)據(jù)輸入、CLOCK、LATCH。如果用戶想要使本質(zhì)安全應(yīng)用電路具有最少的流電隔離器數(shù)目，可將AD420配置在異步模式下工作，這種模式可將LATCH通過一個(gè)限流電阻連接到Vcc來實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)的值通過O，1進(jìn)行組合來構(gòu)造信息并觸發(fā)LATCH信號(hào)。
2.1 時(shí)序操作
如圖1所示，AD420采用∑-△架構(gòu)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)固有的單調(diào)性以及高分辨率，因此特別適合工業(yè)控制環(huán)境的相對(duì)低帶寬需求。

2.2 電流模式輸出
如圖2所示，AD420在不需要任何外部有源器件的情況下能提供4 mA~20 mA、0 mA~20 mA及0mA~24mA電流輸出。濾波電容Cl和C2可選擇低成本的陶瓷電容。為了滿足滿量程3 ms的快速響應(yīng)，應(yīng)選用低電介質(zhì)吸收電容，其中C1=O.OlμF，C2=0.0lμF。
2.3 電壓模式輸出
如圖3所示，由于AD420是一個(gè)單電源器件，必須在VOUT引腳增加一個(gè)外部緩沖放大器。其兩級(jí)電壓輸出范圍如表2所列。

2.4 可選范圍及零點(diǎn)調(diào)整
用戶若希望獲得低于指定值的偏移和增益誤差，可用圖4給出的簡(jiǎn)單方法來調(diào)整這些參數(shù)。選用低漂移電阻要謹(jǐn)慎，因?yàn)樗鼈儠?huì)影響DAC的溫度漂移性能。調(diào)整算法采用迭代法。在4 mA～20 mA模式下，AD420的參數(shù)調(diào)整方法如下所示：
1)偏移調(diào)整。設(shè)所有輸入為0，調(diào)節(jié)調(diào)零電阻(RZERO)使輸出電流為4.00000 mA。
2)增益調(diào)整。設(shè)所有輸入為1，調(diào)節(jié)調(diào)零電阻(RZERO)使輸出電流為19.99976 mA。
重復(fù)第一和第二步，直到兩端的精度都達(dá)到要求。
在BOOST引腳以及電源之間連接一個(gè)5 kΩ電阻(RSPAN2)可使增益提高+0.8％。
由于RSPAN電阻可變化到最大值500 Ω，在RSPAN電阻和基準(zhǔn)輸入電阻(30 kΩ)的作用下，基準(zhǔn)輸入端電壓將受到影響。當(dāng)調(diào)整RSPAN2電阻的大小時(shí)，三者共同影響將使基準(zhǔn)輸入電壓誤差在-O.8％~+0.8％范圍內(nèi)變化。

3 基于MSP430的接口應(yīng)用及編程
硬件接口電路如圖5所示。MSP430的串口通信模塊可用兩種方式實(shí)現(xiàn)：一是直接采用硬件通用串行同步/異步模塊(USART)；二是通過定時(shí)器模塊實(shí)現(xiàn)串口通信功能。這兩種方式有很大的區(qū)別：前者USART模塊是在一系列寄存器設(shè)置后，由硬件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的移進(jìn)和移出來完成串行通信的功能，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)兩種通信協(xié)議，即UART異步通信協(xié)議和SPI同步通信協(xié)議；后者是在定時(shí)器的作用下，人工通過用戶軟件控制，逐位地將數(shù)據(jù)由端口發(fā)送或接收，因此常稱為軟件串行口。

MSP430的發(fā)送或接收主要是移位寄存器在起作用。兩個(gè)緩存器都是采用移位寄存器加緩存的結(jié)構(gòu)。接收時(shí)，當(dāng)移位寄存器將接收來的數(shù)據(jù)位流組合滿一個(gè)字節(jié)后，保存到接收緩存URXBUF；發(fā)送時(shí)，是將發(fā)送緩存UTXBUF內(nèi)的數(shù)據(jù)逐一送至發(fā)送端口。發(fā)送和接收兩個(gè)移位寄存器的移位時(shí)鐘都是波特率發(fā)生器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)BITCLK。MSP430的接收和發(fā)送分別使用兩個(gè)寄存器，為全雙工。
對(duì)于沒有SPI總線的單片機(jī)，可用MSP430的I/0口模擬SPI總線，程序如下：

MSP430x13x系列的硬串口具有SOI模式，編程更為簡(jiǎn)單，其初始化程序如下：