模数转换芯片AD7810的原理及应用

AD7810是美国模拟器件公司（ANALOG Devices）生产的一种低功耗10位高速串行A/D转换器。该产品有8脚DIP和SOIC两种封装形式，并带有内部时钟。它的外围接线极其简单，AD7810的转换时间为2μs，采用标准SPI同步串行接口输出和单一电源（2.7V～5.5V）供电。在自动低功耗模式下，该器件在转换吞吐率为1kSPS时的功耗仅为27μW，因此特点适合于便携式仪表及各种电池供电的应用场合使用。

1 AD7810引脚功能

AD7810引脚排列如图1所示，各引脚的功能如下：

1 脚CONVST：转换启动输入信号。

2 脚VIN+：模拟信号同相输入端。

3 脚VIN-：模拟信号反相输入端。

4 脚GND：接地端口。

5 脚VREF：转换参考电压输入端。

6 脚DOUT：串行数据输出端。

7 脚SCLK：时钟输入端。

8 脚VDD：电源端。

2 AD7810主要参数

AD7810的主要参数如下：

分辨率：10位二进制；

转换时间：2μs；

非线性误差：±1LSB；

电源电压范围：2.7～5.5V；

电源功耗：高速方式时为17.5mW，低功耗方式时为5μW；

参考电压VEFR范围：1.2V～VDD；

模拟电压输入范围：0V～VREF；

输出形式：SPI同步串行输出，与TTL电平兼容。

3.1 高速模式工

图2是AD7810工作在高速模式时的时序图。在此模式下，启动信号CONVST一般处于高电平。在CONVST端输入一个负脉冲，其下降沿将启动一次转换。若采用内部时钟，那么，转换需要2μs的时间（图中t1）。当转换结束时（图中A点），AD7810会自动将转换结果锁存到输出移位寄存器中。此后，在每一个SCLK脉冲的上升沿，数据按由高到低的原则（首先发送DB9，最后发送DB0）依次出现在DOUT上。如果在转换还未结束之前就发出SCLK信号来启动数据输出，那么，在DOUT上出现的将是上一次转换的结果。

启动信号CONVST应在转换结束前变为高电平，即t3应小于t1，否则器件将自动进入低功耗模式。另外，串行时钟SCLK的最高频率不能超过20MHz。

3.2 自动低功耗模式

图3是AD7810工作在自动低功耗模式时的时序图。在此模式下，启动信号CONVST为低电平时，器件处于低功耗休眠状态。当在CONVST端输入一个正脉冲时，可在其上升沿将器件从休眠状态唤醒，唤醒过程需要1μs的时间（图中t2）。当器件被唤醒后，系统将自动启动一次转换，转换时间也是2μs（图中t1）。转换结束时，AD7810将转换结果锁存到输出移位寄存器中，同时自动将器件再一次置于低拉耗状态。

启动信号CONVST正脉冲的宽度（图2中t3）应小于1μs，否则器件被唤醒后将不会自动启动转换，而是将A/D转换的启动时间顺延至CONVST的睛降沿处。自动低功耗模式是AD7810是一大特铎，一般当数据吞吐率小于100kSPS时，应使器件工作在此模式下。在5V电源电压下，当数据吞吐率为100kSPS时，器件的功耗2.7mW；而当数据吞吐率为 10kSPS时，功耗为270μW；若数据吞吐率为1kSPS，则其功耗仅27μW。

4 AD7810的典型应用

AD7810应用时几乎不需外围元件。图4所示是其典型应用电路，其参考电压VREF接至VDD，模拟输入VIN-接至GND，而待转换电压则从VIN+输入。

AD7810 几乎可与各种MCU进行接口，图4中的MCU可以是8051 或PIC16C6X/7X。当与PIC16C6X/7X系列单片机进行接口时，可将SCLK接至单片机的SCK（RC3），将DOUT接至SDI（RC4），而其启动信号CONVST则可接至单片机的任意输出口上（如RC0）。由于PIC单片机的 SPI方式每次只能接收8位数据，因此10位数据应分两次读取。当AD7810与8051接口时，电路采用的是一种模拟串口方式，AD7810的 SCLK、DOUT和CONVST分别接至8051的P1.0、P1.1和P1.2，只要严格按照AD7810的时序要求操作，一般接口都不会有问题。这种方式实际上可扩展到所有的MCU种类。另外，8051也可利用其串行口工作方式0与AD7810进行通讯（图中未画出），但这时应解决好两个问题：一是由于8051在TXD的上升沿进行采样，这样，TXD应经过一个反相器再接到SCLK，而将RXD接至DOUT，然后将CONVST接至任意一个输出端口。二是8051串行口首先接收低位数据，这一点与AD7810刚好相反，因此，编程时应当注意。

下面给出PIC16C6X/7X和8051分别与AD7810进行通讯的两段程序，作者只对与A/D转换有关的部分进行了编写（常用资源定义、芯片定义等均未列出），两段程序均可钭AD7810的工作控制在自动低功耗方式。8051与AD7810通讯程序如下：

START：CLR P1.0 ；初始化

SETB P1.0

CLR P1.2

LOOP：CALL CON0

... ；主程序省略

；

；A/D转换子程序，返回时数据低8位在R2中，高2位在R3中

CON0：MOV R1，#`10 ；10位数据

MOV R2，#0

SETB P1.2 ；唤醒启动AD7810

CLR P1.2

CON1：SETB P1.0 ；发送SCLK信号

MOV