基于CPLD的MAX1032采样控制的方法与实现

引言
本文主要介绍MAX1032采样芯片以及使用CPLD对MAX1032采样进行控制的方法。事实上，虽然微控制器也能对MAX1032进行方便的控制，但使用CPLD来控制系统外围设备，可以节省微控制器的资源，减轻其负担，同时可以让其处理更复杂的信息，而利用CPLD对时序进行控制则
更精确。

1 MAX1032的主要功能
MAX1032是美信公司推出的AD采样芯片MAX1030-MAX1033系列中一款。该系列是采样范围可达±12 V的多量程、低功耗、14位逐次逼近型串行输出模数转换器(ADC)，数据传输符合SPI协议。当采用+5 V单电源供电时，其转换速率高达115 ksps。
MAX1032内部主要由模拟输入复用器及多通道电路、控制逻辑和寄存器、可编程增益放大器(PGA)逐次逼近数模转换器(SAR ADC)、串行I／O(Serial I／O)以及先进先出寄存器(FIFO)等主要模块构成。
MAX1032的各引脚功能如下：
CH0～CH7：模拟信号输入端。单端输入范围为：O～+6 V、-6 V～0、0～+12 V、-12 V～0和±3V；
±6 V，±12 V，差分输入，范围为：±6 V、±12V和±24V；
：片选输入，低电平有效。只有该端置低，数据才可同步输入(DIN)或输出(DOUT)；
DIN：串行数据输入。为低时，DIN上的数据在SCLK的上升沿输入片内；
SSTRB：串行触发输出。在内部时钟模式下，SSTRB的上升沿跳变表明转换完成；在外部时钟模式下，SSTRB一直为低电平；
SCLK：串行时钟输入；
DOUT：串行数据输出。在为低时，DOUT上的数据在SCLK的下降沿输出；置高时，DOUT为高阻状态；
REFCAP：参考电压旁路端。对于外部参考电压模式。REFCAP连到AVDD；对于内部参考电压模式，通过一个0．01μf的电容连到AGNDl；
REF：内部基准电压输出或外部基准电压输入。在外部参考电压模式下，REF端可接由外部电路提供的3．800-4．0136 V的基准电压；在内部参考电压模式下。REF端与AGNDl端之间必须连接容量为1μF的滤波电容，该端由芯片内部提供4．096 V参考电压：
DGNDO：数字I／O地；
DGND：数字地；
DVDDO：数字I／O电源输入。输入范围为+2．7～+5．25 V：
DVDD：数字电源输入；
AVDDl：模拟输入电源1，输入范围为+4．75～+5．25 V：
AVDD2：模拟输入电源2，输入范围为+4．75～+5．25 V：
AGNDl：模拟地1；
AGND2：模拟地2；
AGND3：模拟地3。
设计时，AGNDl，AGND2，AGND3，DGNDO，DGND必须接到一起。

2 MAX1032的工作原理
在使用MAX1032进行采样前，通常需要确认信号的输入阻抗在17 kΩ以内。
MAX1032总共有三种工作模式：外部时钟模式，外部采样模式和内部时钟模式。本文将针对。MAX1032的外部时钟模式并结合CPLD给出实际的应用方案。
外部时钟模式：以最快的转换速率达到最大的吞吐量，由用户直接控制采样时，CSn在转换过程中始终为低，这时，用户可通过SCLK控制A／D的转换并对结果读取。SSTRB始终为低，其转换时序图如图1所示。SCLK的周期(tCP)必须在272 ns～62 us之间。其中高低电平宽度均需大于109 ns(tCL，tCH)。在CSn由高变低后的40 ns(tCSS)，可以开始对SCLK上跳沿计数，DIN的输入建立时间至少40 ns (tDS)，DIN将在SCLK上跳沿时同步输入(tDH)，SCLK上跳沿之后，将忽略DIN。在CSn变低之后40 ns(tDV)内，DOUT开始有效，而在CSn拉高后40 ns(tTR)内，DOUT将输出保持高阻态，其时序描述如图2所示。

在内部时钟模式，系统将以较快的速率达到最大的吞吐量，并由内部时钟控制采样，用户只需提供一个字节的SCLK，再拉高CSn，即可启动转换。和外部采样模式相同，SSTRB上跳变表示转换完成，此时，用户便可提供两个字节的SCLK来读取转换结果。
在外部采样模式，系统将以最慢的转换速率达到最大的吞吐量，并由用户直接控制采样，用户可提供两个字节的SCLK，再将CSn拉高，以启动转换。SSTRB上跳变表示转换完成，用户提供两个字节的SCLK可读取转换结果。
MAX1032总共有三个控制字：模拟输入配置字、模式控制字和转换启动字。图2所示是模拟输入控制字和模式控制字的工作时序图。三个控制字均为8位。
对于模拟输入配置字，DO～D2是选择量程的，MAX1032总共有10种量程可以选择；D3是差分／单端选择位，为低表示采样信号为单端输入．为高表示差分输入。D4～D6是输入通道选择，总共有8个采样通道。D7是字开始位，置高表示字输入开始。
对于模式控制字，D0～D2必须为低，D3必须为高。D4～D6用于工作状态选择，总共有6种工作状态。D7是字开始位，同样，置高表示字输入启动。
转换启动字D7是字开始位，D4～D2是输入通道选择。用法和模拟输入配置字相同，操作时DO～D3必须为低。
三个控制字的输入顺序是模拟输入配置字，模式控制字，转换启动字。

3 硬件设计
图3所示是本系统的结构框图。由图3可见，模拟采样信号先经过一个运放。运放的作用是降低输入阻抗。以达到MAX1032输入阻抗小于17kΩ的要求。之后，再将利用CPLD控制MAX1032进行采样，采样结果回送至CPLD，之后经过处理后的数据传到系统，由系统再将一系列二进制数换算成最终的结果。框图里的系统可以是嵌入式微控制器，也可以是数字输入输出卡等控制系统。