24位高精度模数转换器ADSl258的原理应用
时间:11-28
来源:电子工程世界
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1 概述
ADSl258是TI公司推出的一款高精度、低功耗、低噪声的16通道(多路复用的)24位△一∑型模数转换器(ADC),其内部集成了输入多路复用器、模拟低通滤波器、数字滤波器等功能。内部有多种控制寄存器,用户通过不同的配置得到不同的A/D采样速率、采样模式、A/D转换精度等。适用于对性能、功耗要求高、模拟通道要求多的数据采集系统。
2 ADSl258主要特点及引脚功能
2.1 主要特点
△一∑ADC,24位转换精度,定通道采样速率为125 Ks/s(可编程),自动通道检测通道采样速率为23.7 Ks/s(可编程);
模拟输入多路复用器可配置成8路差分输入或16路单极输入。多路复用器的输出可通过外部获得,这就能在ADC输入之前采用共享的信号调节通道;
0.5μV/℃的失调漂移、最大0.001 0%的满量程整数非线性误差;
工作电压范围为2.7~5.25 V;
内部带有针对低噪声性能进行了专门优化的5阶正弦数字滤波器;
带有串行外设接口(SPI);
与其他ADC相比,ADSl258具有精度高、转换数率快、功耗低、工作性能好等特性,适用于设备与系统监控、数据采集、医疗、航空电子、测试测量等多通道应用场合。
2.2 引脚功能
ADSl258采用QFN一48小型封装,各引脚功能定义如下:
AINO~AINl5:模拟信号输入端;
GPl00~GPl07:GPIO信号输入/输出端;
CLKSEL:时钟信号选择输入端;
SCLK:SPI接口时钟输入端;
DIN:SPI接口数据输入端;
DOUT:SPI接口数据输出端;
DRDY:数据准备好输出端;
START:数据开始转换信号输入端;
CS:SPI接口片选端;
VREFN:参考电压输入端(+);
VREFP:参考电压输入端(一);
ADCINN:模拟差分输入端(一);
ADCINP:模拟差分输入端(+);
MUXOUTN:多路复用器差分输出端(一);
MUXOUTP:多路复用器差分输出端(+);
DVDD:数字电源,2.7~5.25 V;
RESET:复位端。[next]
2.3 结构原理
图l为ADSl258的内部结构框图。ADSl258主要由模拟多路开关(MUX)、可共享的信号调理通道、4阶△一∑ADC、5阶正弦数字滤波器、SPI接口、GPIO接口、时钟发生器、控制器等组成。模拟信号从AINO~AINl5引脚输入,通过多路模拟开关可将其配置成8路差动输入或16路单极输入,通过共用的信号调理通道,输入到4阶△一∑ADC实现24位A/D转换,通过数字滤波器,最终以SPI接口的形式输出数字信号。在使用外部可共享的信号调理通道时,根据实际情况,可关闭所使用的调理通道,只需将寄存器CONFIGO的第4位(BYPAS)置0即可关闭外部调理通道,直接在ADSl258内部实现连接。但是,在大多数使用条件下,为获得更高的A/D转换精度,建议使用外部信号调理通道。
ADSl258采用4线制(时钟信号SCLK、数据输入DIN、数据输出DOUT和片选)SPI通信方式,由于ADSl258无法控制SPI何时开始传输,而是由主机控制数据传输,因此ADSl258只能工作在SPI通信的从模式下,设计时可通过各种主控制器控制ADSl258片上的寄存器,并通过SPI接口读写这些寄存器。通过SPI接口进行通讯时,必须保持CS信号为低电平,DRDY引脚用于表明转换是否完成,DRDY为低时,说明转换已完成,可以直接通过通道读取数据或通道读数据命令从DOUT引脚上读出转换数据。SPI通信,可同步发送和接收数据,而且数据也可利用SCLK和DIN,DOUT信号同步移动。在SCLK的下降沿,系统通过DIN向ADSl258发送数据;而在SCLK的上升沿,系统则通过DOUT从ADSl258读取数据。DlN和DOUT也通过一条双向信号线与主控制器相连。图2给出SPI通讯时序图。
2.4 主要寄存器
ADSl258工作过程的建立主要通过设置其独立寄存器来实现的。这些寄存器包括出厂时所有需要设置的信息,如采样模式、外部信号调理通道开关、时钟模式的选择、模拟输入是单极输入还是差分输入等等。表l给出了ADSl258的主要寄存器。其中CONFIG0和CONFIGl为状态寄存器,MUXSCH为多路固定通道选择寄存器,MUXDIF为多路模拟差分输入配置寄存器,MUXSG0和MUXSGl为模拟单极输入通道选择寄存器。状态寄存器CONFIG0的最高位由制造商设定为0,不能更改。SPIRST决定了ADSl258的SPI接口复位时间,SPIRST=l时其复位时间为4 096fclk;SPIRST=O时则为256fclk。MUXMOD是扫描模式选择位,当MUXMOD=0时采用自动扫描模式;MUXMOD=l时采用固定模式。BYPAS位用于选择是否采用外部信号调理通道选择位,BYPAS=0时,内部多路复用器短接而不使用外部的信号调理通道;BYPAS=l时,输入的模拟信号通过共用的外部信号调理通道传输到24位△一∑ADC转换器。CONGIGl寄存器中的DRATE[1:0]位是A/D转换速率选择位,在自动扫描模式下,DRATE[1:0]=ll=23.739 Ks/s;DRATE[1:O]=10=15.123 Ks/s;DRATE[l:0]=0l=6.168 Ks/s;DRATE[l:O]=Ol=6.168 Ks/s;DRATE[1:0]=00=1.83l Ks/s。
ADSl258是TI公司推出的一款高精度、低功耗、低噪声的16通道(多路复用的)24位△一∑型模数转换器(ADC),其内部集成了输入多路复用器、模拟低通滤波器、数字滤波器等功能。内部有多种控制寄存器,用户通过不同的配置得到不同的A/D采样速率、采样模式、A/D转换精度等。适用于对性能、功耗要求高、模拟通道要求多的数据采集系统。
2 ADSl258主要特点及引脚功能
2.1 主要特点
△一∑ADC,24位转换精度,定通道采样速率为125 Ks/s(可编程),自动通道检测通道采样速率为23.7 Ks/s(可编程);
模拟输入多路复用器可配置成8路差分输入或16路单极输入。多路复用器的输出可通过外部获得,这就能在ADC输入之前采用共享的信号调节通道;
0.5μV/℃的失调漂移、最大0.001 0%的满量程整数非线性误差;
工作电压范围为2.7~5.25 V;
内部带有针对低噪声性能进行了专门优化的5阶正弦数字滤波器;
带有串行外设接口(SPI);
与其他ADC相比,ADSl258具有精度高、转换数率快、功耗低、工作性能好等特性,适用于设备与系统监控、数据采集、医疗、航空电子、测试测量等多通道应用场合。
2.2 引脚功能
ADSl258采用QFN一48小型封装,各引脚功能定义如下:
AINO~AINl5:模拟信号输入端;
GPl00~GPl07:GPIO信号输入/输出端;
CLKSEL:时钟信号选择输入端;
SCLK:SPI接口时钟输入端;
DIN:SPI接口数据输入端;
DOUT:SPI接口数据输出端;
DRDY:数据准备好输出端;
START:数据开始转换信号输入端;
CS:SPI接口片选端;
VREFN:参考电压输入端(+);
VREFP:参考电压输入端(一);
ADCINN:模拟差分输入端(一);
ADCINP:模拟差分输入端(+);
MUXOUTN:多路复用器差分输出端(一);
MUXOUTP:多路复用器差分输出端(+);
DVDD:数字电源,2.7~5.25 V;
RESET:复位端。[next]
2.3 结构原理
图l为ADSl258的内部结构框图。ADSl258主要由模拟多路开关(MUX)、可共享的信号调理通道、4阶△一∑ADC、5阶正弦数字滤波器、SPI接口、GPIO接口、时钟发生器、控制器等组成。模拟信号从AINO~AINl5引脚输入,通过多路模拟开关可将其配置成8路差动输入或16路单极输入,通过共用的信号调理通道,输入到4阶△一∑ADC实现24位A/D转换,通过数字滤波器,最终以SPI接口的形式输出数字信号。在使用外部可共享的信号调理通道时,根据实际情况,可关闭所使用的调理通道,只需将寄存器CONFIGO的第4位(BYPAS)置0即可关闭外部调理通道,直接在ADSl258内部实现连接。但是,在大多数使用条件下,为获得更高的A/D转换精度,建议使用外部信号调理通道。
ADSl258采用4线制(时钟信号SCLK、数据输入DIN、数据输出DOUT和片选)SPI通信方式,由于ADSl258无法控制SPI何时开始传输,而是由主机控制数据传输,因此ADSl258只能工作在SPI通信的从模式下,设计时可通过各种主控制器控制ADSl258片上的寄存器,并通过SPI接口读写这些寄存器。通过SPI接口进行通讯时,必须保持CS信号为低电平,DRDY引脚用于表明转换是否完成,DRDY为低时,说明转换已完成,可以直接通过通道读取数据或通道读数据命令从DOUT引脚上读出转换数据。SPI通信,可同步发送和接收数据,而且数据也可利用SCLK和DIN,DOUT信号同步移动。在SCLK的下降沿,系统通过DIN向ADSl258发送数据;而在SCLK的上升沿,系统则通过DOUT从ADSl258读取数据。DlN和DOUT也通过一条双向信号线与主控制器相连。图2给出SPI通讯时序图。
2.4 主要寄存器
ADSl258工作过程的建立主要通过设置其独立寄存器来实现的。这些寄存器包括出厂时所有需要设置的信息,如采样模式、外部信号调理通道开关、时钟模式的选择、模拟输入是单极输入还是差分输入等等。表l给出了ADSl258的主要寄存器。其中CONFIG0和CONFIGl为状态寄存器,MUXSCH为多路固定通道选择寄存器,MUXDIF为多路模拟差分输入配置寄存器,MUXSG0和MUXSGl为模拟单极输入通道选择寄存器。状态寄存器CONFIG0的最高位由制造商设定为0,不能更改。SPIRST决定了ADSl258的SPI接口复位时间,SPIRST=l时其复位时间为4 096fclk;SPIRST=O时则为256fclk。MUXMOD是扫描模式选择位,当MUXMOD=0时采用自动扫描模式;MUXMOD=l时采用固定模式。BYPAS位用于选择是否采用外部信号调理通道选择位,BYPAS=0时,内部多路复用器短接而不使用外部的信号调理通道;BYPAS=l时,输入的模拟信号通过共用的外部信号调理通道传输到24位△一∑ADC转换器。CONGIGl寄存器中的DRATE[1:0]位是A/D转换速率选择位,在自动扫描模式下,DRATE[1:0]=ll=23.739 Ks/s;DRATE[1:O]=10=15.123 Ks/s;DRATE[l:0]=0l=6.168 Ks/s;DRATE[l:O]=Ol=6.168 Ks/s;DRATE[1:0]=00=1.83l Ks/s。
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