数模转换器AD420及其与MSP430的接口技术

1 概述
AD420是ADI公司生产的高精度、低功耗全数字电流环输出转换器。AD420的输出信号可以是电流信号，也可以是电压信号。其中电流信号的输出范围为4mA~20mA，0mA~20mA或0mA~24mA，具体可通过引脚RANGE SELECTl，RANGE SELECT2进行配置。当需要输出电压信号时，它也能从一个隔离引脚提供电压输出，这时需外接一个缓冲放大器，可输出0V～5V，0V~10V，±5V或±10V电压。
AD420具有灵活的串行数字接口(最大速率可达3.3 Mb/s)，使用方便、性价比高、抑制干扰能力强，非常适合用于高精度远程控制系统。AD420与单片机的接口方式有2种：3线制和异步制。单片机系统通过AD420可实现连续的模拟量输出。其主要特点如下：
宽泛的电源电压范围为12 V~32 V，输出电压范围为0V~-2.5 V；
带有3线模式的SPI或Microwire接口，可采集连续的模拟输入信号，采用异步模式时仅需少量的信号线；
数据输出引脚可将多个AD420器件连接成菊链型；
上电初始化时，其输出最小值为0 mA，4 mA或O V；
具有异步清零引脚，可将输出复位至最小值(0mA、4 mA或0V)；
BOOST引脚可连接一个外部晶体管来吸收回路电流，降低功耗；
只需外接少量的外部器件，就能达到较高的精度。
AD420采用24引脚SOIC和PDIP封装，表1是其引脚功能说明。

2 工作原理
在AD420中，二阶调节器用于保持最小死区。从调节器发出的单字节流控制开关电流源，两个连续的电阻电容装置进行过滤。电容为电流输出额外增加的器件。输出电流则简单显示为4 mA～20 mA，OmA～20mA或0mA～24mA。AD420采用BiCMOS工艺，能够适合高性能的低电压数字逻辑和高电压模拟电路。
如果需要，AD420同样能够提供电压输出代替电流环输出。增加了一个额外的电压放大器使用户得到OV~5 V，0V～10V，±5V或±10V的电压。
AD420有一个环路故障检测电路。当开环或者供电电压不足使IOUT电压超过限制电压时会产生警报。故障检测端为低电平触发，所以可以用一个上拉电阻器同时连接至多个AD420的故障检测端，上拉电阻器可以接至VLL端或外接5 V逻辑电压。
IOUT电流由一个PMOS晶体管和内置放大器控制。内置电路提供故障输出，避免使用窗口限制比较器，这就要求在故障检测端输出有效之前需要一个实际的误差输出。反之，当AD420输出级的内置放大值低于l V的驱动值时，信号就会产生。因此，故障输出端在跳转限制达到要求之前保持不变。由于比较在输出放大反馈网络内进行，输出精度通过开环增益保持稳定，在故障检测输出变为有效之前没有输出误差。3个数字接口，包括数据输入、CLOCK、LATCH。如果用户想要使本质安全应用电路具有最少的流电隔离器数目，可将AD420配置在异步模式下工作，这种模式可将LATCH通过一个限流电阻连接到Vcc来实现。数据的值通过O，1进行组合来构造信息并触发LATCH信号。
2.1 时序操作
如图1所示，AD420采用∑-△架构进行A/D转换，由于其内部结构固有的单调性以及高分辨率，因此特别适合工业控制环境的相对低带宽需求。

2.2 电流模式输出
如图2所示，AD420在不需要任何外部有源器件的情况下能提供4 mA~20 mA、0 mA~20 mA及0mA~24mA电流输出。滤波电容Cl和C2可选择低成本的陶瓷电容。为了满足满量程3 ms的快速响应，应选用低电介质吸收电容，其中C1=O.OlμF，C2=0.0lμF。
2.3 电压模式输出
如图3所示，由于AD420是一个单电源器件，必须在VOUT引脚增加一个外部缓冲放大器。其两级电压输出范围如表2所列。

2.4 可选范围及零点调整
用户若希望获得低于指定值的偏移和增益误差，可用图4给出的简单方法来调整这些参数。选用低漂移电阻要谨慎，因为它们会影响DAC的温度漂移性能。调整算法采用迭代法。在4 mA～20 mA模式下，AD420的参数调整方法如下所示：
1)偏移调整。设所有输入为0，调节调零电阻(RZERO)使输出电流为4.00000 mA。
2)增益调整。设所有输入为1，调节调零电阻(RZERO)使输出电流为19.99976 mA。
重复第一和第二步，直到两端的精度都达到要求。
在BOOST引脚以及电源之间连接一个5 kΩ电阻(RSPAN2)可使增益提高+0.8％。
由于RSPAN电阻可变化到最大值500 Ω，在RSPAN电阻和基准输入电阻(30 kΩ)的作用下，基准输入端电压将受到影响。当调整RSPAN2电阻的大小时，三者共同影响将使基准输入电压误差在-O.8％~+0.8％范围内变化。

3 基于MSP430的接口应用及编程
硬件接口电路如图5所示。MSP430的串口通信模块可用两种方式实现：一是直接采用硬件通用串行同步/异步模块(USART)；二是通过定时器模块实现串口通信功能。这两种方式有很大的区别：前者USART模块是在一系列寄存器设置后，由硬件自动实现数据的移进和移出来完成串行通信的功能，同时还能实现两种通信协议，即UART异步通信协议和SPI同步通信协议；后者是在定时器的作用下，人工通过用户软件控制，逐位地将数据由端口发送或接收，因此常称为软件串行口。