多通道A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX1230的工作原理及應(yīng)用分析

１、ＭＡＸ１２３０的主要特點(diǎn)

對(duì)于在野外工作的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于環(huán)境的影響和條件的限制，往往需要系統(tǒng)具有比較低的功率消耗,同時(shí)應(yīng)帶有溫度補(bǔ)償?shù)裙δ?，因此，筆者在繼電保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用ＭＡＸ１２３０來(lái)完成Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換功能。ＭＡＸ１２３０是ＭＡＸ-ＩＭ公司２００３年推出的一種低功耗、可進(jìn)行溫度補(bǔ)償并帶有采樣保持功能的多通道１２位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源、時(shí)鐘電路和溫度傳感器，具有１６個(gè)模擬輸入通道，可實(shí)現(xiàn)輸入通道掃描、輸出數(shù)據(jù)平均和自動(dòng)關(guān)斷功能，此外，該芯片還具有一個(gè)高速的串行接口。與其它的模數(shù)轉(zhuǎn)換器相比，ＭＡＸ１２３０具有較多的功能，且工作方式靈活多樣，可應(yīng)用于系統(tǒng)監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集、病人監(jiān)護(hù)、工業(yè)控制和儀器制造等多種領(lǐng)域。

ＭＡＸ１２３０的主要特點(diǎn)如下：

●所有輸入通道均可按單端或差分方式進(jìn)行配置，單端方式下可配置為１６個(gè)通道，差分方式下可配置為８?jìng)€(gè)通道；

????●轉(zhuǎn)換速率可達(dá)３００ｋＳＰＳ，此時(shí)的功耗僅為１．８ｍＷ；

●在整個(gè)溫度范圍內(nèi)不會(huì)丟碼，精度為±１ＬＳＢ ＩＮＬ和±１ＬＳＢ ＤＮＬ；

●采用單電源＋５Ｖ供電，內(nèi)部具有４．０９６Ｖ的基準(zhǔn)電壓和時(shí)鐘電路，也可使用外部差分基準(zhǔn)或外部時(shí)鐘輸入；

●具有１０ＭＨｚ可兼容ＳＰＩ／ＱＳＰＩ／ＭＩＣＲＯＷＩＲＥ的接口；

●工作溫度范圍為－４０～＋８５℃，且內(nèi)部帶有精度為±１℃的溫度傳感器，同時(shí)可進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

２、ＭＡＸ１２３０的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

ＭＡＸ１２３０的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖１所示，它由跟蹤／保持放大器（Ｔ／Ｈ）、１２位逐次逼近型ＡＤＣ、控制邏輯、內(nèi)部時(shí)鐘、串行接口、先入先出寄存器（ＦＩＦＯ）、內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源和溫度傳感器等組成。

? ? ? ３、ＭＡＸ１２３０的引腳排列

ＭＡＸ１２３０有２４腳ＱＳＯＰ和２８腳ＱＦＮ兩種封裝形式，其引腳排列如圖２所示。各引腳的功能如下：

ＡＩＮ０～ＡＩＮ１５：模擬量輸入；

ＲＥＦ－：使用外部差分基準(zhǔn)源時(shí)的負(fù)輸入，與Ａ１４復(fù)用；

ＣＮＶＳＴ：“轉(zhuǎn)換開(kāi)始”信號(hào)輸入，低電平有效，與Ａ１５復(fù)用；

ＲＥＦ＋：基準(zhǔn)電壓源的正輸入，該腳和地之間要加０．１μＦ的電容；

ＧＮＤ：接地腳；

ＶＤＤ：電源輸入，電壓范圍為４．７５～５．２５Ｖ，它和地之間應(yīng)加０．１μＦ的電容；

ＳＣＬＫ：串行時(shí)鐘輸入，用作采樣和轉(zhuǎn)換，使用外部時(shí)鐘時(shí)，其頻率范圍為０．１ＭＨｚ～４．８ＭＨｚ，當(dāng)其作為讀寫(xiě)串行數(shù)據(jù)的時(shí)鐘頻率時(shí)，可達(dá)到１０ＭＨｚ，占空比范圍為４０％～６０％；

ＣＳ：片選端，低電平有效；

ＤＩＮ：串行數(shù)據(jù)輸入，輸入的串行數(shù)據(jù)在ＳＣＬＫ的上升沿被鎖存。通過(guò)ＳＣＬＫ、ＣＳ、ＤＩＮ三根信號(hào)線可組成與ＳＰＩ／ＱＳＰＩ／ＭＩＣＲＯＷＩＲＥ相兼容的串行輸入接口；

ＤＯＵＴ：串行數(shù)據(jù)輸出，它與ＳＣＬＫ的下降沿同步。當(dāng)ＣＳ為高電平時(shí)，ＤＯＵＴ為高阻態(tài)；

ＥＯＣ：“轉(zhuǎn)換結(jié)束”標(biāo)志輸出，當(dāng)它變?yōu)榈碗娖綍r(shí)表明轉(zhuǎn)換結(jié)束，輸出數(shù)據(jù)有效。

４、ＭＡＸ１２３０的工作過(guò)程

４．１ 轉(zhuǎn)換參數(shù)的配置

ＭＡＸ１２３０的工作方式由其內(nèi)部的控制寄存器決定，這些寄存器主要有轉(zhuǎn)換方式寄存器、工作方式寄存器、均值方式寄存器和復(fù)位寄存器等。工作時(shí)，首先要對(duì)這些寄存器進(jìn)行正確配置，配置參數(shù)可通過(guò)ＭＡＸ１２３０的串行口寫(xiě)入。在進(jìn)行配置時(shí)，ＣＳ置為低電平，配置參數(shù)從ＤＩＮ引腳輸入，并在串行時(shí)鐘ＳＣＬＫ的上升沿被鎖存，此過(guò)程中，ＳＣＬＫ的頻率不能高于１０ＭＨｚ。表１所列是這幾個(gè)寄存器的參數(shù)定義。下面是對(duì)它們的具體說(shuō)明。

表1 MAX1230主要寄存器的參數(shù)定義

（１）在轉(zhuǎn)換方式寄存器中，ＢＩＴ７為標(biāo)志位，ＢＩＴ６～ＢＩＴ３用以選擇輸入通道，００００～１１１１分別對(duì)應(yīng)著ＡＩＮ０～ＡＩＮ１５的各個(gè)輸入；ＢＩＴ２和ＢＩＴ１用以確定輸入通道的掃描方式；ＢＩＴ０是溫度測(cè)量方式位，該位為１時(shí)，只進(jìn)行１次溫度測(cè)量，并在第一次的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)中輸出。

（２）工作方式寄存器中，ＢＩＴ７和ＢＩＴ６為標(biāo)志位；ＢＩＴ５和ＢＩＴ４用于選擇時(shí)鐘的使用方式，可確定具體使用內(nèi)部時(shí)鐘還是外部時(shí)鐘；ＢＩＴ３和ＢＩＴ２用于選擇是用內(nèi)部還是外部的基準(zhǔn)源；ＢＩＴ１和ＢＩＴ０的值用于在差分輸入方式下決定選擇是單極性工作模式還是雙極性工作模式，當(dāng)這兩位的值為００和０１時(shí)，對(duì)應(yīng)的寄存器不作修改，當(dāng)其為１０時(shí)，系統(tǒng)將修改單極性模式寄存器，而當(dāng)為１１時(shí)，修改雙極性模式寄存器。實(shí)際上，在配置了工作方式寄存器后，也就對(duì)單／雙極性模式寄存器進(jìn)行了配置。

（３）在均值方式寄存器中，ＢＩＴ７～ＢＩＴ５是標(biāo)志位；ＢＩＴ４是均值功能控制位，該位寫(xiě)入１時(shí)開(kāi)啟均值功能，寫(xiě)入０時(shí)關(guān)閉；ＢＩＴ３和ＢＩＴ２用于定義計(jì)算均值時(shí)所需的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；ＢＩＴ１和ＢＩＴ０用于設(shè)置對(duì)某一通道掃描時(shí)返回結(jié)果的個(gè)數(shù)。

（４）復(fù)位寄存器中的ＢＩＴ７～ＢＩＴ４為標(biāo)志位；ＢＩＴ３是復(fù)位操作控制位，該位寫(xiě)入１時(shí)，僅復(fù)位內(nèi)部ＦＩ-ＦＯ，寫(xiě)入０時(shí)復(fù)位所有的寄存器至默認(rèn)狀態(tài)；ＢＩＴ２～ＢＩＴ０為保留位，一般不影響操作。

４．２ 轉(zhuǎn)換過(guò)程的控制

按照采樣和轉(zhuǎn)換過(guò)程中時(shí)鐘工作方式的不同，ＭＡＸ１２３０的工作方式分為四種，可根據(jù)情況靈活選擇。轉(zhuǎn)換的結(jié)果有１２位，高位在前，并以“００００”為前導(dǎo)形成兩個(gè)字節(jié)從ＤＯＵＴ引腳輸出，同時(shí)與串行時(shí)鐘ＳＣＬＫ的下降沿同步。這四種工作方式如下：

（１）采樣和轉(zhuǎn)換都使用內(nèi)部時(shí)鐘，并用ＣＯＮＶＳＴ信號(hào)進(jìn)行初始化，其時(shí)序如圖３所示。工作時(shí)，ＣＯＮＶＳＴ需要產(chǎn)生一個(gè)寬度大于４０ｎｓ的低電平來(lái)對(duì)采樣和轉(zhuǎn)換進(jìn)行初始化。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，信號(hào)ＥＯＣ變成低電平表示轉(zhuǎn)換結(jié)果有效，可以從ＤＯＵＴ引腳讀出數(shù)據(jù)。在ＥＯＣ信號(hào)產(chǎn)生前，ＣＯＮＶＳＴ信號(hào)不能出現(xiàn)低電平，否則會(huì)引起內(nèi)部ＦＩＦＯ操作的錯(cuò)誤。

（２）采樣使用外部時(shí)鐘，而轉(zhuǎn)換使用內(nèi)部時(shí)鐘，并用ＣＯＮＶＳＴ信號(hào)進(jìn)行初始化。此種模式下的讀寫(xiě)操作和第一種類(lèi)似，區(qū)別是當(dāng)需要進(jìn)行均值運(yùn)算時(shí)，該方式還需要再產(chǎn)生一個(gè)ＣＯＮＶＳＴ信號(hào)來(lái)初始化均值運(yùn)算。

（３）采樣和轉(zhuǎn)換都使用內(nèi)部時(shí)鐘，并通過(guò)串行口寫(xiě)入命令字來(lái)進(jìn)行初始化，該模式的時(shí)序如圖４所示。寫(xiě)入命令字后轉(zhuǎn)換開(kāi)始，轉(zhuǎn)換完成時(shí)，ＥＯＣ信號(hào)變?yōu)榈碗娖?，?shù)據(jù)可以從ＤＯＵＴ讀取。這種方式是芯片上電后默認(rèn)的工作方式。

（４）采樣和轉(zhuǎn)換都使用外部時(shí)鐘，并通過(guò)串行口寫(xiě)入命令字來(lái)進(jìn)行初始化。該方式與第三種方式的區(qū)別是采樣和轉(zhuǎn)換都使用外部時(shí)鐘，此時(shí)外部時(shí)鐘的頻率不能超過(guò)４.８ＭＨｚ。在這種方式下，結(jié)果在轉(zhuǎn)換的過(guò)程中就可讀取，信號(hào)ＥＯＣ始終為高電平，此種方式下，輸入通道掃描和輸出數(shù)據(jù)均值等功能都不可用。

５、典型應(yīng)用

筆者在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)中使用了ＭＡＸ１２３０來(lái)采集電壓信號(hào)，圖５所示是ＭＡＸ１２３０與單片機(jī)ＡＴ８９Ｃ５１的接口電路。根據(jù)應(yīng)用要求，此電路中的ＭＡＸ１２３０工作于第一種方式，采樣和轉(zhuǎn)換過(guò)程使用的都是內(nèi)部時(shí)鐘和內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源。工作時(shí)，由單片機(jī)產(chǎn)生ＣＳ和ＣＯＮＶＳＴ信號(hào)以控制轉(zhuǎn)換過(guò)程，并用ＥＯＣ信號(hào)作為外部中斷源來(lái)觸發(fā)單片機(jī)的ＩＮＴ０中斷。單片機(jī)在響應(yīng)中斷后將產(chǎn)生串行時(shí)鐘ＳＣＬＫ和片選信號(hào)ＣＳ，并從ＤＯＵＴ引腳讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。由于此電路中需要用到ＣＯＮＶＳＴ引腳，因此與其復(fù)用的Ａ１５就不能再用了，這樣，模擬輸入通道實(shí)際可用的只有１５個(gè)，即Ａ０～Ａ１４ 。

實(shí)際上，筆者在設(shè)計(jì)中使用了其中的Ａ０～Ａ１１這１２個(gè)通道，并使其工作于輸入通道掃描方式。運(yùn)行結(jié)果表明：ＭＡＸ１２３０工作可靠，效果較好。

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