8通道24位△-∑型A／D轉換器ADS1216的原理及應用

摘要：ADS1216是TI公司推出的低功耗、高精度、8通道、24位△-∑型模數轉換器，其內部集成了輸入模擬多路開(kāi)關(guān)、輸入緩沖器、可編程增益放大器、可編程數字濾波器。文中介紹了ADS1216的主要特點(diǎn)、工作原理、典型應用實(shí)例及應用程序，最后給出了ADS1216的一些使用要點(diǎn)及設計經(jīng)驗。
關(guān)鍵詞：ADS1216；高精度；A／D轉換器；SPI

1 ADS1216概述
ADS1216是德州儀器(TI) Burr-Brown現推出針對工業(yè)應用、具有業(yè)界較高性能的模數轉換器(ADC)。其由模擬多路開(kāi)關(guān)(MUX)、輸入緩沖器(BUF)、可編程增益放大器(PGA)、二階△-∑調制器再加一個(gè)可編程數字濾波器組成，整體實(shí)現了無(wú)噪聲精度、數據速率以及多種功能，為設計人員提供了高精度測量解決方案，主要應用于工業(yè)過(guò)程控制、液態(tài)／氣態(tài)色譜儀、血液分析、智能送話(huà)器、便攜式儀器、壓力傳感器以及其它一些要求高精度、低功耗的測量?jì)x器等要求苛刻的各個(gè)領(lǐng)域。
ADS1216的主要特點(diǎn)有：
(1)24位無(wú)數據丟失：所有數據速度和PCA設置；
(2)低非線(xiàn)性度：±0．0015％；
(3)高達22比特的無(wú)噪聲精度；
(4)數據采樣率最大1KSPI；
(5)ADS1216可配置為8路單級輸入或4路差分輸入；
(6)模擬多路開(kāi)關(guān)具有傳感器檢測功能；
(7)輸入緩沖器；
(8)具有低噪聲可編程增益放大器PGA；
(9)帶有串行外設接口(SPI)；
(10)可編程數字濾波器；
(11)片內具有自校準功能；
(12)工作電壓范圍為：2．7～5．25V；
(13)電源功率消耗小于1mW。

2 ADS1216結構原理及寄存器功能
2．1 ADS1216的內部結構及工作原理
ADS1216的內部結構如圖1所示，主要由模擬多路開(kāi)關(guān)(MUX)、輸入緩沖器(BUF)、可編程增益放大器(PGA)、二階△-∑調制器、可編程數字濾波器、時(shí)鐘發(fā)生器、做控制器、串行SPI接口、128字節RAM、16個(gè)狀態(tài)／控制寄存器、兩個(gè)8位DAC以及內部參考電壓產(chǎn)生器等組成。模擬信號從AIN0～AIN7引腳輸入，通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)可將其配置成4路差分輸入或8路單級輸入，通過(guò)共同的信號調制通道，輸入到二階△-∑ADC實(shí)現24位A／D轉換，通過(guò)數字濾波器，最終以SPI接口的形式輸出數字信號。

ADS1216采用4線(xiàn)制(時(shí)鐘信號SCLK、數據輸入DIN、數據輸小DOUT和片選CS)SPI通信方式，由于A(yíng)DS1216無(wú)法控制SPT何時(shí)開(kāi)始傳輸，而是由主機數據控制，因此ADS1216只能工作存SPI通信的從模式下，設計時(shí)可通過(guò)各種主控制器控制ADS1216片上的寄存器，并通過(guò)SPI接口讀寫(xiě)這些寄存器。通過(guò)SPI接口進(jìn)行通訊時(shí)，必須保持信號為低電平，引腳用于表明轉換是否完成，為低時(shí)，說(shuō)明轉換已完成，可以直接通過(guò)通道讀取數據，通道讀數據命令從DOUT引腳上讀出轉換數據。SPI通信，可同步發(fā)送和接收數據，而且數據也可利用SCLK和DIN，DOUT信號同步移動(dòng)。根據POL的不同，在SCLK的上升沿或者下降沿，系統通過(guò)DIN向ADS1216發(fā)送數據。同樣，系統通過(guò)DOUT從ADS1216讀取數據。DIN和DOUT也通過(guò)一條雙向信號線(xiàn)與主控制器相連。圖2給出了SPI的通訊時(shí)序圖。

2．2 主要寄存器
ADS1216工作過(guò)程的建立主要通過(guò)設置其寄存器求實(shí)現的。這些寄存器包括出廠(chǎng)時(shí)所有需要設置的信息，如采樣模式、外部信號調理通道開(kāi)關(guān)、時(shí)鐘模式的選擇、模擬輸入是單級輸入還是差分輸入等等。表1給出了ADS1216的寄存器。

下面介紹幾個(gè)主要寄存器的功能和使用。
建立寄存器(SETUP)只有低五位可用，高三位已被廠(chǎng)家使用，該寄存器主要用于設置調節器的時(shí)鐘速度、內部參考電壓選擇，以及數據寄存器數據位輸出次序。SETUP．4(SPEED)=0，fMOD=fosc／128；SETUP．3(REF EN)=0，fMOD=fosc／256。使用內部參考電壓，SETUP3=1。選擇外部參考電壓SETUP．2(REF HI)=0，內部參考電壓1．25V；SETUP．2=1，內部參考電壓為2．5V。SETUP．1(BUFEN)=0，不使用緩沖器；SETU P．1=1，使用內部緩沖器。SETUP．0 (BIT ORDER)=0，數據緩沖器高位先輸出，SETUP．0=1，低位先輸出。
多路選擇控制寄存器(MUX)，該寄存器分為兩部分，高四位選擇正相差分輸入，低四位選擇反相差分輸入，當高四位或低四位的最高位為1且其它位不全為1時(shí)(高四位的最高位和低四位的最高位不能同時(shí)為1)，就可以實(shí)現八通道為差分輸入，當高四位和低四位全為1時(shí)，選擇ADS 1216內部的溫度傳感器為轉換信號。
通過(guò)模擬控制寄存器(ACR)的低三位(ACR2、ACR1、ACR0)設置PGA的放大倍數，三位可以提供8個(gè)放大倍數，增益步長(cháng)為2n(n來(lái)自ACR)。
通過(guò)模式／采樣頻率寄存器(M／DEC1)的第四、五位(SMODE0、SMODE1)設置數字濾波器。
SMODE1：SMODE0=00，使用自動(dòng)濾波模式；
SMODE1：SMODE0=01，使用快速濾波模式；
SMODE1：SMODE0=10，使用Sinc2濾波模式；
SMODE1：SMODE0=11，使用Sinc3濾波模式。不同的濾波模式在很大程度上影響AD轉換精度。
24位AD轉換結果分為3個(gè)字節由高到低依次通過(guò)SPI接口輸出。

3 ADS1216的應用
3．1 ADS1216的硬件設計
圖3為ADS1216的信號差分輸入的典型應用電路圖。該電路為一路差分輸入數據采集系統，將外部輸入的兩路模擬信號通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)，傳輸到外部共用的信號調理通道，通過(guò)信號調理通道的調節作用，傳輸給24位△-∑型A／D轉換器進(jìn)行模數轉換，A／D轉換結束后，將轉換結果通過(guò)專(zhuān)門(mén)優(yōu)化的3階正弦數字濾波器進(jìn)行濾波，最后才通過(guò)SPI接口傳輸給單片機進(jìn)行處理。在典型應用電路圖中，AIN+和AIN-為差分信號輸入接口，DIN、DOUT、CLK、nCS為與單片機相連的SPI接口，nDRDY為A／D轉換完成的標志位。(單片機電路略)

3．2 ADS1216的應用程序
雖然ADS1216具有非常強大的功能，但是應用非常容易。ADS1216的片選可以通過(guò)硬件使腳接地，也可以通過(guò)軟件選通。同理，ADS12 16的復位也有兩種方式，腳接地或者軟件復位。通過(guò)ADS1216的自校準命令，可以糾正內部和外部的漂移和增益錯誤。通過(guò)寫(xiě)寄存器命令可以初始化狀態(tài)寄存器SETUP，選擇時(shí)鐘的速度、是否開(kāi)啟輸入緩沖器和輸出字節的順序等。同理可以初始化模擬多路開(kāi)關(guān)MUX，選擇模擬輸入通道，還可以初始化模擬控制寄存器ACR，選擇可編程增益放大倍數，最后還可以初始化模式／采樣頻率寄存器M／DEC1，選擇數字濾波模式。具體的選擇請參考寄存器狀態(tài)圖。
ADS1216的參考應用程序如下所示：



4 結束語(yǔ)
通過(guò)作者的實(shí)驗，在使用ADS1216時(shí)，應注意一下幾點(diǎn)：
(1)在A(yíng)DS1216片外要將模擬地ACND和數字地DCDN連接在一起，若ACND和DGND之間有電壓存在，將造成ADS1216無(wú)法正常工作。
(2)在印制電路板布線(xiàn)時(shí)，應將外部晶振盡可能地靠近ADS1216，否則將影響輸入的幅值大小，當幅值太小時(shí)，可能通過(guò)減小接入晶振兩端的電容來(lái)增大器幅值，其范圍應在0～20pF，典型晶振為4．9152M，接入電容為18pF。
(3)為了得到最佳的轉換結果，每次改變初始寄存器值時(shí)，例如改變輸入通道，最好自校準一次。
(4)在使用SPI通訊時(shí)必須注意單片機和ADS1216的SCLK極性，通過(guò)POL引腳的設置使主控制器和ADS1216的SCLK極性一致。
(5)為了得到穩定的轉換結果，可通過(guò)軟件濾波的方式進(jìn)行濾波，常用的方法主要有程序判斷濾波法、遞推平均濾波法、最大概率濾波法等。