模數轉換芯片AD7810的原理及應用

AD7810是美國模擬器件公司（ANALOG Devices）生產(chǎn)的一種低功耗10位高速串行A/D轉換器。該產(chǎn)品有8腳DIP和SOIC兩種封裝形式，并帶有內部時(shí)鐘。它的外圍接線(xiàn)極其簡(jiǎn)單，AD7810的轉換時(shí)間為2μs，采用標準SPI同步串行接口輸出和單一電源（2.7V～5.5V）供電。在自動(dòng)低功耗模式下，該器件在轉換吞吐率為1kSPS時(shí)的功耗僅為27μW，因此特點(diǎn)適合于便攜式儀表及各種電池供電的應用場(chǎng)合使用。

1 AD7810引腳功能

AD7810引腳排列如圖1所示，各引腳的功能如下：

1 腳CONVST：轉換啟動(dòng)輸入信號。

2 腳VIN+：模擬信號同相輸入端。

3 腳VIN-：模擬信號反相輸入端。

4 腳GND：接地端口。

5 腳VREF：轉換參考電壓輸入端。

6 腳DOUT：串行數據輸出端。

7 腳SCLK：時(shí)鐘輸入端。

8 腳VDD：電源端。

2 AD7810主要參數

AD7810的主要參數如下：

分辨率：10位二進(jìn)制；

轉換時(shí)間：2μs；

非線(xiàn)性誤差：±1LSB；

電源電壓范圍：2.7～5.5V；

電源功耗：高速方式時(shí)為17.5mW，低功耗方式時(shí)為5μW；

參考電壓VEFR范圍：1.2V～VDD；

模擬電壓輸入范圍：0V～VREF；

輸出形式：SPI同步串行輸出，與TTL電平兼容。

3.1 高速模式工

圖2是AD7810工作在高速模式時(shí)的時(shí)序圖。在此模式下，啟動(dòng)信號CONVST一般處于高電平。在CONVST端輸入一個(gè)負脈沖，其下降沿將啟動(dòng)一次轉換。若采用內部時(shí)鐘，那么，轉換需要2μs的時(shí)間（圖中t1）。當轉換結束時(shí)（圖中A點(diǎn)），AD7810會(huì )自動(dòng)將轉換結果鎖存到輸出移位寄存器中。此后，在每一個(gè)SCLK脈沖的上升沿，數據按由高到低的原則（首先發(fā)送DB9，最后發(fā)送DB0）依次出現在DOUT上。如果在轉換還未結束之前就發(fā)出SCLK信號來(lái)啟動(dòng)數據輸出，那么，在DOUT上出現的將是上一次轉換的結果。

啟動(dòng)信號CONVST應在轉換結束前變?yōu)楦唠娖?，即t3應小于t1，否則器件將自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式。另外，串行時(shí)鐘SCLK的最高頻率不能超過(guò)20MHz。

3.2 自動(dòng)低功耗模式

圖3是AD7810工作在自動(dòng)低功耗模式時(shí)的時(shí)序圖。在此模式下，啟動(dòng)信號CONVST為低電平時(shí)，器件處于低功耗休眠狀態(tài)。當在CONVST端輸入一個(gè)正脈沖時(shí)，可在其上升沿將器件從休眠狀態(tài)喚醒，喚醒過(guò)程需要1μs的時(shí)間（圖中t2）。當器件被喚醒后，系統將自動(dòng)啟動(dòng)一次轉換，轉換時(shí)間也是2μs（圖中t1）。轉換結束時(shí)，AD7810將轉換結果鎖存到輸出移位寄存器中，同時(shí)自動(dòng)將器件再一次置于低拉耗狀態(tài)。

啟動(dòng)信號CONVST正脈沖的寬度（圖2中t3）應小于1μs，否則器件被喚醒后將不會(huì )自動(dòng)啟動(dòng)轉換，而是將A/D轉換的啟動(dòng)時(shí)間順延至CONVST的睛降沿處。自動(dòng)低功耗模式是AD7810是一大特鐸，一般當數據吞吐率小于100kSPS時(shí)，應使器件工作在此模式下。在5V電源電壓下，當數據吞吐率為100kSPS時(shí)，器件的功耗2.7mW；而當數據吞吐率為 10kSPS時(shí)，功耗為270μW；若數據吞吐率為1kSPS，則其功耗僅27μW。

4 AD7810的典型應用

AD7810應用時(shí)幾乎不需外圍元件。圖4所示是其典型應用電路，其參考電壓VREF接至VDD，模擬輸入VIN-接至GND，而待轉換電壓則從VIN+輸入。

AD7810 幾乎可與各種MCU進(jìn)行接口，圖4中的MCU可以是8051 或PIC16C6X/7X。當與PIC16C6X/7X系列單片機進(jìn)行接口時(shí)，可將SCLK接至單片機的SCK（RC3），將DOUT接至SDI（RC4），而其啟動(dòng)信號CONVST則可接至單片機的任意輸出口上（如RC0）。由于PIC單片機的 SPI方式每次只能接收8位數據，因此10位數據應分兩次讀取。當AD7810與8051接口時(shí)，電路采用的是一種模擬串口方式，AD7810的 SCLK、DOUT和CONVST分別接至8051的P1.0、P1.1和P1.2，只要嚴格按照AD7810的時(shí)序要求操作，一般接口都不會(huì )有問(wèn)題。這種方式實(shí)際上可擴展到所有的MCU種類(lèi)。另外，8051也可利用其串行口工作方式0與AD7810進(jìn)行通訊（圖中未畫(huà)出），但這時(shí)應解決好兩個(gè)問(wèn)題：一是由于8051在TXD的上升沿進(jìn)行采樣，這樣，TXD應經(jīng)過(guò)一個(gè)反相器再接到SCLK，而將RXD接至DOUT，然后將CONVST接至任意一個(gè)輸出端口。二是8051串行口首先接收低位數據，這一點(diǎn)與AD7810剛好相反，因此，編程時(shí)應當注意。

下面給出PIC16C6X/7X和8051分別與AD7810進(jìn)行通訊的兩段程序，作者只對與A/D轉換有關(guān)的部分進(jìn)行了編寫(xiě)（常用資源定義、芯片定義等均未列出），兩段程序均可鈄AD7810的工作控制在自動(dòng)低功耗方式。8051與AD7810通訊程序如下：

START：CLR P1.0 ；初始化

SETB P1.0

CLR P1.2

LOOP：CALL CON0

... ；主程序省略

；

；A/D轉換子程序，返回時(shí)數據低8位在R2中，高2位在R3中

CON0：MOV R1，#`10 ；10位數據

MOV R2，#0

SETB P1.2 ；喚醒啟動(dòng)AD7810

CLR P1.2

CON1：SETB P1.0 ；發(fā)送SCLK信號

MOV C，P1.1 ；讀一位數據

CLR P1.0

MOV A，R2 ；數據移位

RLC A

MOV R2，A

MOV A，R3

RLC A

MOV R3，A

DJNZ R1，CON1

RET

PIC16C6X/7X與AD7810的通訊程序如下：

REG1 EQU 0X20 ；寄存器定義

REG2 EQU 0X21

CLRF PORTC ；端口初始化

BSF STATUS，RP0

MOVLW 0X30

MOVWF TRISC

BCF STATUS，PR0

BCF SSPCON，SSPEN

MOVLW 0X00 ；SPI初始化

MOVWF SSPCON

BSF SSPCON，SSPEN SPI開(kāi)放

LOOP CALL ADCON

... ；主程序省略

；

；A/D轉換子程序，返回時(shí)數據低8位在REFG1中，高2位在REG2中

ADCON BSF PORTC，0 ；喚醒啟動(dòng)AD7810

BCF PORTC，0

MOVWF SSPBUF ；啟動(dòng)接收高8位

BSF STATUS，RP0

CON1 BTFSS SSPSTAT,BF ；數據已接收？

GOTO CON1 ；沒(méi)有收到

BCF STATUS，RP0

MOVF SSPBUF，W

MOVWF REG1 ；高8位送REG1

MOVWF SSPBUF ；啟動(dòng)接收低2位

BSF STATUS，PR0

CON1 BTFSS SSPSTAT，BF ；數據已接收？

GOTO CON1 ；沒(méi)有收到

BCF STATUS，RP0

MOVF SSPBUF，W

ANDLW B11000000 ；保留有效位

MOVWF REG2 ；低2位送REG2

BCF STATUS，C ；進(jìn)位位清零

RLCF REG2，1 ；數據調整

RLCF REG1，1

RLCF REG2，1

RLCF REG1，1 ；低8位

RLCF REG2，1 ；高2位

RETURN

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