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16位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX1132的特性及應(yīng)用
摘要：MAX1132是美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的16位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，文章介紹了MAX1132的工作原理、接口特點(diǎn)及使用方法，給出了它在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的硬件電路和軟件程序。關(guān)鍵詞：模數(shù)轉(zhuǎn)換器；MAX1132；數(shù)據(jù)采集
１引言
模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ＡＤＣ）是現(xiàn)代測(cè)控中非常重要的環(huán)節(jié)，它一般分為串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器和并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器。后者雖然傳輸速度快，但引腳多、體積大、占用單片機(jī)口線多；而串行ＡＤＣ的傳輸速率也可以做的很高，并且具有體積小、功耗低、占用單片機(jī)口線少等優(yōu)點(diǎn)。因此，串行ＡＤＣ的應(yīng)用越來越廣泛。
ＭＡＸ１１３２是ＭＡＸＩＭ公司生產(chǎn)的單電源、低功耗、１６位、單／雙極性轉(zhuǎn)換的高精度串行逐次逼近型ＡＤＣ。其內(nèi)部帶有跟蹤／保持及校準(zhǔn)電路，可使用內(nèi)部或外部參考電壓及時(shí)鐘。采樣速率最高可達(dá)到２００ｋｓｐｓ?最低消耗電流為７．５ｍＡ。若工作于關(guān)閉模式，消耗電流可降低到２．５μＡ。該ＡＤＣ可應(yīng)用于工業(yè)過程控制、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、便攜式數(shù)據(jù)記錄、醫(yī)療或掌上設(shè)備以及系統(tǒng)檢測(cè)等領(lǐng)域。
２ＭＡＸ１１３２的引腳功能
ＭＡＸ１１３２是可編程的單通道ＡＤＣ，采用２０引腳ＳＳＯＰ封裝形式，其引腳排列如圖１所示。各引腳的功能如下：
ＲＥＦ：參考電壓緩沖輸出／ＡＤＣ參考電壓輸入，可用作模數(shù)轉(zhuǎn)換的參考電壓；
ＲＥＦＡＤＬ：參考帶隙輸出端／參考帶隙緩沖輸入端；
ＡＧＮＤ：模擬地；
ＡＶＤＤ：＋５Ｖ±５％模擬電源；
ＤＧＮＤ：數(shù)字地；
ＳＨＤＮ：關(guān)閉控制輸入端；
Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２：分別為用戶可編程輸出０，１，２；
ＳＳＴＲＢ：串行選通輸出端；
ＤＯＵＴ：串行數(shù)據(jù)輸出端；
ＲＳＴ：復(fù)位引腳；
ＳＣＬＫ：串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸入端；
ＤＶＤＤ：＋５Ｖ±５％數(shù)字電源；
ＤＩＮ：串行數(shù)據(jù)輸入端；
ＣＳ：片選端；
ＣＲＥＦ：旁路緩沖參考端；
ＡＩＮ：模擬輸入端。
３工作原理
ＭＡＸ１１３２通常由時(shí)鐘將控制字節(jié)從串行數(shù)據(jù)輸入端(ＤＩＮ)打入其內(nèi)部移位寄存器，以決定其工作模式并啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。當(dāng)ＣＳ變低或一次轉(zhuǎn)換(或校準(zhǔn))結(jié)束以后，ＤＩＮ端接收到的第一個(gè)邏輯“１”被定義為控制字節(jié)的開始位（ＭＳＢ）。在該位到達(dá)前，由時(shí)鐘打入ＤＩＮ的邏輯“０”均無效，ＤＩＮ的每位數(shù)據(jù)均在每個(gè)ＳＣＬＫ的上升沿打入ＭＡＸ１１３２內(nèi)部移位寄存器。值得注意的是：如果在當(dāng)前的轉(zhuǎn)換完成以前，一個(gè)新的開始位被時(shí)鐘打入的話，當(dāng)前的轉(zhuǎn)換就會(huì)被中斷，同時(shí)開始新的輸入信號(hào)采集。
ＭＡＸ１１３２可用外部或內(nèi)部時(shí)鐘完成逐次逼近轉(zhuǎn)換，但兩種模式均用外部時(shí)鐘將數(shù)據(jù)移入器件或從器件中移出。在外部時(shí)鐘模式下，數(shù)據(jù)的移入移出和轉(zhuǎn)換步驟均由外部時(shí)鐘控制。內(nèi)部時(shí)鐘模式下的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘由ＭＡＸ１１３２內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生，速率最高可達(dá)８ＭＨｚ。一般要求完成一次轉(zhuǎn)換的周期是８?jìng)�(gè)ＳＣＬＫ的整數(shù)倍。ＭＡＸ１１３２具有短采集（２４ＳＣＬＫ）和長(zhǎng)采集（３２ＳＣＬＫ）兩種工作模式。單極性輸入時(shí)，直接輸出二進(jìn)制數(shù)；雙極性輸入時(shí)，輸出的是二進(jìn)制補(bǔ)碼。
ＭＡＸ１１３２還帶有３個(gè)用戶可編程的輸出口(Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２)，它們均采用推挽式ＣＭＯＳ輸出，可用來驅(qū)動(dòng)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)或ＰＧＡ。這三個(gè)編程口在缺省狀態(tài)下的輸出均為零，并且在硬件關(guān)閉模式期間均保持不變，此外，它們?cè)谏想娭梦粫r(shí)，也均被置零。
圖2
４ＭＡＸ１１３２的應(yīng)用
在筆者研制開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)地電影像儀系統(tǒng)中，由于需要檢測(cè)的地電信號(hào)的幅值范圍較大，檢測(cè)信號(hào)精度要求高，信號(hào)采集時(shí)間短，而且需要采集的信號(hào)通道多，因此對(duì)ＡＤＣ的性能提出了很高的要求。而ＭＡＸ１１３２具有雙極性轉(zhuǎn)換模式，轉(zhuǎn)換的電壓范圍可達(dá)到－１２Ｖ～＋１２Ｖ，比其他ＡＤＣ轉(zhuǎn)換電壓范圍要寬；它的精度達(dá)到１６位，轉(zhuǎn)換速度最高可達(dá)到２００ｋｓｐｓ，足以滿足系統(tǒng)對(duì)精度和速度的要求；雖然它內(nèi)部沒有集成多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，但本身帶有三個(gè)用戶可編程輸出口，可以很方便地控制一個(gè)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，以滿足系統(tǒng)信號(hào)采集通道多的要求；ＭＡＸ１１３２采用單電源供電，內(nèi)部帶有參考電壓，可簡(jiǎn)化外圍電路，而且使用方便。基于以上特點(diǎn)，筆者選用了ＭＡＸ１１３２。
圖２為ＭＡＸ１１３２與單片機(jī)進(jìn)行接口的電路。圖中將ＭＡＸ１１３２的ＣＳ與單片機(jī)Ｐ１．０腳相連，ＭＡＸ１１３２的片選端由單片機(jī)經(jīng)Ｐ１．０腳發(fā)出信號(hào)選通；控制字節(jié)由單片機(jī)Ｐ１．１腳輸出到ＡＤＣ的ＤＩＮ端；轉(zhuǎn)換結(jié)果則由Ｐ１．２腳從ＡＤＣ的ＤＯＵＴ端讀入單片機(jī)，讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的時(shí)鐘ＳＣＬＫ可由Ｐ１．４腳依次發(fā)出高低電平來構(gòu)成；Ｐ１．３腳接至表示ＭＡＸ１１３２工作狀態(tài)的串行選通輸出ＳＳＴＲＢ，單片機(jī)則通過Ｐ１．３腳查詢ＡＤＣ的工作狀態(tài)；Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２三個(gè)輸出連接到多路轉(zhuǎn)換開關(guān)以控制轉(zhuǎn)換通道的切換，而進(jìn)行逐次逼近轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘則由ＭＡＸ１１３２內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生。
本應(yīng)用選用ＭＡＸ１１３２雙極性、內(nèi)部時(shí)鐘、短采集模式的工作方式，其工作時(shí)序如圖３所示。圖中，ｔＡＣＱ是采集輸入信號(hào)的時(shí)間，ｔＣＯＮＶ是進(jìn)行轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。由圖可以看出，ＭＡＸ１１３２在片選ＣＳ有效、開始位由ＤＩＮ端打入后即可開始對(duì)輸入信號(hào)的采集，并一直到控制字節(jié)Ｐ２位進(jìn)入其內(nèi)部移位寄存器以后便可完成對(duì)輸入信號(hào)的采集。因此，當(dāng)使用ＭＡＸ１１３２的三個(gè)用戶可編程輸出口去控制一個(gè)多路開關(guān)時(shí)，要特別注意對(duì)輸入通道的切換時(shí)間。由于ＭＡＸ１１３２在應(yīng)用中需要在輸入端連接一個(gè)緩沖放大器，而這個(gè)緩沖放大器在輸入信號(hào)變化時(shí)需要一定的時(shí)間去響應(yīng)信號(hào)的變化，所以輸入通道應(yīng)該在信號(hào)采集完成以后馬上被切換，而不是在轉(zhuǎn)換完成以后再切換。也就是說，對(duì)ＭＡＸ１１３２送當(dāng)前轉(zhuǎn)換通道的控制字節(jié)時(shí)，就要將下一通道的控制信號(hào)(Ｐ２、Ｐ１、Ｐ０)送入其內(nèi)部移位寄存器中并打開多路開關(guān)的下一通道，以確保緩沖放大器有足夠的時(shí)間響應(yīng)信號(hào)的變化以準(zhǔn)確完成轉(zhuǎn)換。此外，串行選通信號(hào)ＳＳＴＲＢ在轉(zhuǎn)換開始時(shí)為低，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)變高，因此，可以利用它來對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生中斷或采用查詢方式判斷轉(zhuǎn)換是否完成。片選ＣＳ在這種工作方式下可以不保持為低。轉(zhuǎn)換進(jìn)行時(shí)，可由一個(gè)內(nèi)部寄存器存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，可由ＳＣＬＫ時(shí)鐘在任意時(shí)刻將數(shù)據(jù)移出，轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高位(ＭＳＢ)會(huì)在ＳＳＴＲＢ變高后出現(xiàn)在ＤＯＵＴ上。
圖3
下面給出一段完整的轉(zhuǎn)換和控制程序，以供參考：
ＳＴＡＲＴ：ＣＬＲＰ１．０；片選有效
ＭＯＶＡ，＃０Ａ０Ｈ；控制字節(jié)
ＭＯＶＲ２，＃０８
ＤＩＮ：ＣＬＲＰ１．４
ＲＬＣＡ
ＭＯＶＰ１．１，Ｃ；送控制字
ＳＥＴＢＰ１．４
ＤＪＮＺＲ２，ＤＩＮ
ＣＬＲＰ１．４
ＳＥＴＢＰ１．０
ＷＡＩＴ：ＪＮＢＰ１．３，ＷＡＩＴ
ＳＴＯＲＢ：ＭＯＶＲ７，＃１６
ＣＬＲＰ１．０
ＬＯＯＰ：ＭＯＶＣ，Ｐ１．２；讀結(jié)果
ＭＯＶＡ，３１Ｈ
ＲＬＣＡ
ＭＯＶ３１Ｈ，Ａ；存高８位
ＭＯＶＡ，３０Ｈ
ＲＬＣＡ
ＭＯＶ３０Ｈ，Ａ；存低８位
ＳＥＴＢＰ１．４
ＣＬＲＰ１．４
ＤＪＮＺＲ７，ＬＯＯＰ
ＳＥＴＢＰ１．０
ＳＡ：ＳＪＭＰＳＡ
ＥＮＤ
５結(jié)束語
新型ＡＤＣ芯片ＭＡＸ１１３２與一般ＡＤＣ芯片相比，由于其僅需單一＋５Ｖ供電，同時(shí)帶有內(nèi)部基準(zhǔn)電壓且外圍電路簡(jiǎn)單，因而可簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。同時(shí)，基于ＭＡＸ１１３２的串行接口也易于與單片機(jī)進(jìn)行連接，而且占用單片機(jī)口線少，因而能用于較為復(fù)雜的系統(tǒng)開發(fā)。
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