基于CPLD的MAX1032采樣控制的實(shí)現

0 引言

本文主要介紹MAX1032采樣芯片以及使用CPLD對MAX1032采樣進(jìn)行控制的方法。事實(shí)上，雖然微控制器也能對MAX1032進(jìn)行方便的控制，但使用CPLD來(lái)控制系統外圍設備，可以節省微控制器的資源，減輕其負擔，同時(shí)可以讓其處理更復雜的信息，而利用CPLD對時(shí)序進(jìn)行控制則

更精確。

1 MAX1032的主要功能

MAX1032是美信公司推出的AD采樣芯片MAX1030-MAX1033系列中一款。該系列是采樣范圍可達±12 V的多量程、低功耗、14位逐次逼近型串行輸出模數轉換器(ADC)，數據傳輸符合SPI協(xié)議。當采用+5 V單電源供電時(shí)，其轉換速率高達115 ksps。

MAX1032內部主要由模擬輸入復用器及多通道電路、控制邏輯和寄存器、可編程增益放大器(PGA)逐次逼近數模轉換器(SAR ADC)、串行I/O(Serial I/O)以及先進(jìn)先出寄存器(FIFO)等主要模塊構成。

MAX1032的各引腳功能如下：

CH0～CH7：模擬信號輸入端。單端輸入范圍為：O～+6 V、-6 V～0、0～+12 V、-12 V～0和±3V;

±6 V，±12 V，差分輸入，范圍為：±6 V、±12V和±24V;

：片選輸入，低電平有效。只有該端置低，數據才可同步輸入(DIN)或輸出(DOUT);

DIN：串行數據輸入。

為低時(shí)，DIN上的數據在SCLK的上升沿輸入片內;

SSTRB：串行觸發(fā)輸出。在內部時(shí)鐘模式下，SSTRB的上升沿跳變表明轉換完成;在外部時(shí)鐘模式下，SSTRB一直為低電平;

SCLK：串行時(shí)鐘輸入;

DOUT：串行數據輸出。在

為低時(shí)，DOUT上的數據在SCLK的下降沿輸出;

置高時(shí)，DOUT為高阻狀態(tài);

REFCAP：參考電壓旁路端。對于外部參考電壓模式。REFCAP連到AVDD;對于內部參考電壓模式，通過(guò)一個(gè)0.01μf的電容連到AGNDl;

REF：內部基準電壓輸出或外部基準電壓輸入。在外部參考電壓模式下，REF端可接由外部電路提供的3.800-4.0136 V的基準電壓;在內部參考電壓模式下。REF端與AGNDl端之間必須連接容量為1μF的濾波電容，該端由芯片內部提供4.096 V參考電壓：

DGNDO：數字I/O地;

DGND：數字地;

DVDDO：數字I/O電源輸入。輸入范圍為+2.7～+5.25 V：

DVDD：數字電源輸入;

AVDDl：模擬輸入電源1，輸入范圍為+4.75～+5.25 V：

AVDD2：模擬輸入電源2，輸入范圍為+4.75～+5.25 V：

AGNDl：模擬地1;

AGND2：模擬地2;

AGND3：模擬地3。

設計時(shí)，AGNDl，AGND2，AGND3，DGNDO，DGND必須接到一起。

2 MAX1032的工作原理

在使用MAX1032進(jìn)行采樣前，通常需要確認信號的輸入阻抗在17 kΩ以?xún)取?/p>

MAX1032總共有三種工作模式：外部時(shí)鐘模式，外部采樣模式和內部時(shí)鐘模式。本文將針對。MAX1032的外部時(shí)鐘模式并結合CPLD給出實(shí)際的應用方案。

外部時(shí)鐘模式：以最快的轉換速率達到最大的吞吐量，由用戶(hù)直接控制采樣時(shí)，CSn在轉換過(guò)程中始終為低，這時(shí)，用戶(hù)可通過(guò)SCLK控制A/D的轉換并對結果讀取。SSTRB始終為低，其轉換時(shí)序圖如圖1所示。SCLK的周期(tCP)必須在272 ns～62 us之間。其中高低電平寬度均需大于109 ns(tCL，tCH)。在CSn由高變低后的40 ns(tCSS)，可以開(kāi)始對SCLK上跳沿計數，DIN的輸入建立時(shí)間至少40 ns (tDS)，DIN將在SCLK上跳沿時(shí)同步輸入(tDH)，SCLK上跳沿之后，將忽略DIN。在CSn變低之后40 ns(tDV)內，DOUT開(kāi)始有效，而在CSn拉高后40 ns(tTR)內，DOUT將輸出保持高阻態(tài)，其時(shí)序描述如圖2所示。

在內部時(shí)鐘模式，系統將以較快的速率達到最大的吞吐量，并由內部時(shí)鐘控制采樣，用戶(hù)只需提供一個(gè)字節的SCLK，再拉高CSn，即可啟動(dòng)轉換。和外部采樣模式相同，SSTRB上跳變表示轉換完成，此時(shí)，用戶(hù)便可提供兩個(gè)字節的SCLK來(lái)讀取轉換結果。

在外部采樣模式，系統將以最慢的轉換速率達到最大的吞吐量，并由用戶(hù)直接控制采樣，用戶(hù)可提供兩個(gè)字節的SCLK，再將CSn拉高，以啟動(dòng)轉換。SSTRB上跳變表示轉換完成，用戶(hù)提供兩個(gè)字節的SCLK可讀取轉換結果。

MAX1032總共有三個(gè)控制字：模擬輸入配置字、模式控制字和轉換啟動(dòng)字。圖2所示是模擬輸入控制字和模式控制字的工作時(shí)序圖。三個(gè)控制字均為8位。

對于模擬輸入配置字，DO～D2是選擇量程的，MAX1032總共有10種量程可以選擇;D3是差分/單端選擇位，為低表示采樣信號為單端輸入.為高表示差分輸入。D4～D6是輸入通道選擇，總共有8個(gè)采樣通道。D7是字開(kāi)始位，置高表示字輸入開(kāi)始。

對于模式控制字，D0～D2必須為低，D3必須為高。D4～D6用于工作狀態(tài)選擇，總共有6種工作狀態(tài)。D7是字開(kāi)始位，同樣，置高表示字輸入啟動(dòng)。

轉換啟動(dòng)字D7是字開(kāi)始位，D4～D2是輸入通道選擇。用法和模擬輸入配置字相同，操作時(shí)DO～D3必須為低。

三個(gè)控制字的輸入順序是模擬輸入配置字，模式控制字，轉換啟動(dòng)字。

3 硬件設計

圖3所示是本系統的結構框圖。由圖3可見(jiàn)，模擬采樣信號先經(jīng)過(guò)一個(gè)運放。運放的作用是降低輸入阻抗。以達到MAX1032輸入阻抗小于17kΩ的要求。之后，再將利用CPLD控制MAX1032進(jìn)行采樣，采樣結果回送至CPLD，之后經(jīng)過(guò)處理后的數據傳到系統，由系統再將一系列二進(jìn)制數換算成最終的結果?？驁D里的系統可以是嵌入式微控制器，也可以是數字輸入輸出卡等控制系統。

圖4所示是MAX1032的應用電路圖。由于MAX1032只允許輸入阻抗小于17 kΩ，而有的采樣信號不一定能滿(mǎn)足這一要求，故需要對采樣信

號進(jìn)行一定處理，以降低信號的輸出阻抗。由于射極跟隨器的輸出阻抗趨于零，故將待采樣信號連到射極跟隨器上可以有效降低其輸出阻抗。本文選用的運放為OP07，該運放具有很低的輸入失調電壓和漂移，而且精度相當高，適合作為模擬信號前置運放。如將OP07接成負反饋模式，使輸出等于1+R1/R2，并將滑動(dòng)變阻器R1調至0Ω，那么它就可以當做電壓跟隨器使用。

圖4中，MAX1032的外部參考電壓由LTC6652提供。LTC6652是高精度電位參考芯片，本文使用4.096 V作為MAX1032外部參考電壓。REFCAP在此模式下可接到5 V電源。由于MAX1032是由CPLD控制，故將DVDDO連到3.3 V。

4 CPLD邏輯設計

CPLD和MAX1032的連接圖如圖5所示。其中，CPLD可以選用Ahera公司的MAXII系列器件EPM240或EPM570。

CPID的程序設計主要由兩部分組成，第一部分是產(chǎn)生MAX1032的控制信號，第二部分是對MAX1032的輸出結果進(jìn)行處理。

clk_1MHZ為CPLD時(shí)鐘，選1 MHz。通過(guò)CPLD可在內部對時(shí)鐘進(jìn)行分頻，輸出SCLK可作為MAX1032的輸入時(shí)鐘。DI由系統給CPLD輸入，作用是選擇MAX1032的控制字，同時(shí)也是CPLD的復位控制。DIN_out是給MAX1032加載的串行控制字，其加載時(shí)序可利用計數器控制。本例采用外部時(shí)鐘模式，模擬輸入配置字為10000110。第七位1是字開(kāi)始標志;六到四位為0表示選擇CH0通道輸入，第三位為0表示采樣信號單端輸入;二到零位為110，表示量程選擇0～12 V。模式控制字為10001000，第七位1是字開(kāi)始標志，六到四位為0表示使用外部時(shí)鐘模式。三到零位為100 0是芯片強制輸入。加載完模擬輸入配置字和模式控制字之后，就可以啟動(dòng)采樣，以加載轉換啟動(dòng)字開(kāi)始采樣。轉換啟動(dòng)字為10000000時(shí)，第七位1是字開(kāi)始標志，六到四位為0表示選擇CH0通道輸入，三到零位為0000是芯片強制輸入。MAX1032控制協(xié)議和SPI類(lèi)似，在SCLK的上跳沿輸入，下跳沿輸出。片選信號CSn時(shí)序利用計數器控制，每個(gè)控制字之間的CSn必須有一個(gè)高脈沖，脈寬至少40 ns(tCSPW)，每個(gè)控制字輸入完后，CSn可以立即拉高(tCSH)。以下是可綜合的MAX1032控制程序的主要代碼：

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