高精度數模轉換器AD420及其與MSP430的接口技術(shù)

1 概述
AD420是ADI公司生產(chǎn)的高精度、低功耗全數字電流環(huán)輸出轉換器。AD420的輸出信號可以是電流信號，也可以是電壓信號。其中電流信號的輸出范圍為4mA~20mA，0mA~20mA或0mA~24mA，具體可通過(guò)引腳RANGE SELECTl，RANGE SELECT2進(jìn)行配置。當需要輸出電壓信號時(shí)，它也能從一個(gè)隔離引腳提供電壓輸出，這時(shí)需外接一個(gè)緩沖放大器，可輸出0V～5V，0V~10V，5V或10V電壓。
AD420具有靈活的串行數字接口(最大速率可達3.3 Mb/s)，使用方便、性?xún)r(jià)比高、抑制干擾能力強，非常適合用于高精度遠程控制系統。AD420與單片機的接口方式有2種：3線(xiàn)制和異步制。單片機系統通過(guò)AD420可實(shí)現連續的模擬量輸出。其主要特點(diǎn)如下：
寬泛的電源電壓范圍為12 V~32 V，輸出電壓范圍為0V~-2.5 V；
帶有3線(xiàn)模式的SPI或Microwire接口，可采集連續的模擬輸入信號，采用異步模式時(shí)僅需少量的信號線(xiàn)；
數據輸出引腳可將多個(gè)AD420器件連接成菊鏈型；
上電初始化時(shí)，其輸出最小值為0 mA，4 mA或O V；
具有異步清零引腳，可將輸出復位至最小值(0mA、4 mA或0V)；
BOOST引腳可連接一個(gè)外部晶體管來(lái)吸收回路電流，降低功耗；
只需外接少量的外部器件，就能達到較高的精度。
AD420采用24引腳SOIC和PDIP封裝，表1是其引腳功能說(shuō)明。

2 工作原理
在A(yíng)D420中，二階調節器用于保持最小死區。從調節器發(fā)出的單字節流控制開(kāi)關(guān)電流源，兩個(gè)連續的電阻電容裝置進(jìn)行過(guò)濾。電容為電流輸出額外增加的器件。輸出電流則簡(jiǎn)單顯示為4 mA～20 mA，OmA～20mA或0mA～24mA。AD420采用BiCMOS工藝，能夠適合高性能的低電壓數字邏輯和高電壓模擬電路。
如果需要，AD420同樣能夠提供電壓輸出代替電流環(huán)輸出。增加了一個(gè)額外的電壓放大器使用戶(hù)得到OV~5 V，0V～10V，5V或10V的電壓。
AD420有一個(gè)環(huán)路故障檢測電路。當開(kāi)環(huán)或者供電電壓不足使IOUT電壓超過(guò)限制電壓時(shí)會(huì )產(chǎn)生警報。故障檢測端為低電平觸發(fā)，所以可以用一個(gè)上拉電阻器同時(shí)連接至多個(gè)AD420的故障檢測端，上拉電阻器可以接至VLL端或外接5 V邏輯電壓。
IOUT電流由一個(gè)PMOS晶體管和內置放大器控制。內置電路提供故障輸出，避免使用窗口限制比較器，這就要求在故障檢測端輸出有效之前需要一個(gè)實(shí)際的誤差輸出。反之，當AD420輸出級的內置放大值低于l V的驅動(dòng)值時(shí)，信號就會(huì )產(chǎn)生。因此，故障輸出端在跳轉限制達到要求之前保持不變。由于比較在輸出放大反饋網(wǎng)絡(luò )內進(jìn)行，輸出精度通過(guò)開(kāi)環(huán)增益保持穩定，在故障檢測輸出變?yōu)橛行е皼](méi)有輸出誤差。3個(gè)數字接口，包括數據輸入、CLOCK、LATCH。如果用戶(hù)想要使本質(zhì)安全應用電路具有最少的流電隔離器數目，可將AD420配置在異步模式下工作，這種模式可將LATCH通過(guò)一個(gè)限流電阻連接到Vcc來(lái)實(shí)現。數據的值通過(guò)O，1進(jìn)行組合來(lái)構造信息并觸發(fā)LATCH信號。
2.1 時(shí)序操作
如圖1所示，AD420采用∑-△架構進(jìn)行A/D轉換，由于其內部結構固有的單調性以及高分辨率，因此特別適合工業(yè)控制環(huán)境的相對低帶寬需求。

2.2 電流模式輸出
如圖2所示，AD420在不需要任何外部有源器件的情況下能提供4 mA~20 mA、0 mA~20 mA及0mA~24mA電流輸出。濾波電容Cl和C2可選擇低成本的陶瓷電容。為了滿(mǎn)足滿(mǎn)量程3 ms的快速響應，應選用低電介質(zhì)吸收電容，其中C1=O.OlμF，C2=0.0lμF。
2.3 電壓模式輸出
如圖3所示，由于A(yíng)D420是一個(gè)單電源器件，必須在VOUT引腳增加一個(gè)外部緩沖放大器。其兩級電壓輸出范圍如表2所列。

2.4 可選范圍及零點(diǎn)調整
用戶(hù)若希望獲得低于指定值的偏移和增益誤差，可用圖4給出的簡(jiǎn)單方法來(lái)調整這些參數。選用低漂移電阻要謹慎，因為它們會(huì )影響DAC的溫度漂移性能。調整算法采用迭代法。在4 mA～20 mA模式下，AD420的參數調整方法如下所示：
1)偏移調整。設所有輸入為0，調節調零電阻(RZERO)使輸出電流為4.00000 mA。
2)增益調整。設所有輸入為1，調節調零電阻(RZERO)使輸出電流為19.99976 mA。
重復第一和第二步，直到兩端的精度都達到要求。
在BOOST引腳以及電源之間連接一個(gè)5 kΩ電阻(RSPAN2)可使增益提高+0.8％。
由于RSPAN電阻可變化到最大值500 Ω，在RSPAN電阻和基準輸入電阻(30 kΩ)的作用下，基準輸入端電壓將受到影響。當調整RSPAN2電阻的大小時(shí)，三者共同影響將使基準輸入電壓誤差在-O.8％~+0.8％范圍內變化。

3 基于MSP430的接口應用及編程
硬件接口電路如圖5所示。MSP430的串口通信模塊可用兩種方式實(shí)現：一是直接采用硬件通用串行同步/異步模塊(USART)；二是通過(guò)定時(shí)器模塊實(shí)現串口通信功能。這兩種方式有很大的區別：前者USART模塊是在一系列寄存器設置后，由硬件自動(dòng)實(shí)現數據的移進(jìn)和移出來(lái)完成串行通信的功能，同時(shí)還能實(shí)現兩種通信協(xié)議，即UART異步通信協(xié)議和SPI同步通信協(xié)議；后者是在定時(shí)器的作用下，人工通過(guò)用戶(hù)軟件控制，逐位地將數據由端口發(fā)送或接收，因此常稱(chēng)為軟件串行口。

MSP430的發(fā)送或接收主要是移位寄存器在起作用。兩個(gè)緩存器都是采用移位寄存器加緩存的結構。接收時(shí)，當移位寄存器將接收來(lái)的數據位流組合滿(mǎn)一個(gè)字節后，保存到接收緩存URXBUF；發(fā)送時(shí)，是將發(fā)送緩存UTXBUF內的數據逐一送至發(fā)送端口。發(fā)送和接收兩個(gè)移位寄存器的移位時(shí)鐘都是波特率發(fā)生器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號BITCLK。MSP430的接收和發(fā)送分別使用兩個(gè)寄存器，為全雙工。
對于沒(méi)有SPI總線(xiàn)的單片機，可用MSP430的I/0口模擬SPI總線(xiàn)，程序如下：

MSP430x13x系列的硬串口具有SOI模式，編程更為簡(jiǎn)單，其初始化程序如下：