高速A/D轉換器AD7654與單片機接口電路設計

1 引言
模/數轉換是現代測控電路中非常重要的環(huán)節，它有并行和串行兩種數據輸出形式。目前，模/數轉換器ADC已被做成大規模集成電路，并有多種型號和種類(lèi)可供選擇。本文介紹了AD7654的性能特點(diǎn)，并設計了AD7654與單片機ADuC848的接口電路，同時(shí)給出了軟件流程和相應的匯編源程序。

2 AD7654的性能特點(diǎn)和工作原理
AD7654是ADI公司推出的一種低功耗、四通道、電荷再分布式高速A/D轉換器，該A/D轉換器的主要特點(diǎn)是：16位分辨率且無(wú)漏失碼；O V～5 V模擬輸入范圍；SPI/QSPI/Microwire/DSP兼容；兩個(gè)允許同步采樣的低噪音、高帶寬跟蹤/保持放大器；功耗典型值為120 mW；可提供串行和并行兩種輸出接口，給予用戶(hù)靈活的選擇。串行A/D轉換的速率很高，并且具有體積小、功耗低、占用單片機口線(xiàn)少的優(yōu)點(diǎn)，文中采用串行模式設計電路，有關(guān)引腳說(shuō)明如下：
A0：轉換通道選擇；
A/B：高電平時(shí)，先輸出A通道轉換數據再輸出B通道轉換數據，低電平反之；
SER/PAR：串行/并行模式選擇。低電平為并行模式，高電平為串行模式；
EXT/INT：高電平時(shí)選擇外部時(shí)鐘，低電平時(shí)選擇內部時(shí)鐘；
SDOUT：轉換數據輸出位；
SCLK：串行數據時(shí)鐘輸入或輸出(取決于EXT/INT的邏輯狀態(tài))；
CNVST：開(kāi)始轉換。CNVST的下降沿使內部采樣保持進(jìn)入保持狀態(tài)并開(kāi)始轉換；
BUSY：正在轉換標志；
EOC：轉換結束標志。
AD7654的轉換過(guò)程由CNVST下降沿啟動(dòng)，轉換啟動(dòng)與CS和RD信號狀態(tài)無(wú)關(guān)，A0引腳控制轉換通道的選擇。在轉換結束之前，即使掉電轉換也不會(huì )重新開(kāi)始或終止。轉換進(jìn)行過(guò)程中，BUSY變?yōu)楦唠娖?，EOC也為高電平，EOC在每一個(gè)通道轉換結束后變?yōu)榈碗娖?，而B(niǎo)USY線(xiàn)在兩個(gè)通道轉換全部結束后才變?yōu)榈碗娖?，轉換的32位數據可以從SDOUT上讀出。轉換時(shí)序圖如圖1所示。AD7654有串行和并行兩種接口方式，每種接口方式又有主從兩種模式，本文介紹其串行接口下從模式的硬件和軟件設計。

3 AD7654與單片機的接口電路設計
在本系統中，單片機選用ADI的ADuC848，具體的接口電路如圖2所示。筆者設計AD7654工作在串行從模式下，因此其數據的轉換和讀取都需要微處理器ADuC848的控制，所需的高精度2.5 V基準電壓由AD780提供，AD7654上所有的電源和地之間都需連接去耦電容器。因為ADuC848的P1口只能作為輸入口，而P0口被USB接口器件占用，所以AD7654的控制引腳只能連接到單片機P2和P3口上的部分端口。在實(shí)驗電路中，AD7654的SER/PAR和EXT/INT引腳直接由硬件置高電平，INVS-CLK由硬件置低電平，使ADC以串口方式工作，同時(shí)使數據輸出由外部時(shí)鐘控制。由于A(yíng)D7654是兩個(gè)通道同時(shí)采樣，所以需要給A/B置位以控制數據的輸出順序。ADuC848的P2.5引腳接至AD7654的CNVST，這樣只需要通過(guò)單片機ADuC848控制使P2.5產(chǎn)生一個(gè)寬度大于5 ns的負脈沖，該負脈沖的下降沿就可以啟動(dòng)ADC開(kāi)始轉換，轉換的時(shí)間約為2μs。當轉換結束時(shí)，BUSY引腳上的信號就會(huì )變成低電平，從而通知單片機可以開(kāi)始讀取轉換的數據，由于實(shí)際AD7654轉換速度很快，因此BUSY線(xiàn)可以不用，啟動(dòng)轉換后可以直接讀取數據。在單片機讀取數據前，需要通過(guò)P2.6和P3.4口給讀選通RD和片選CS置零，以使SDOUT上的數據有效，然后單片機通過(guò)P2.0(SCLK)引腳向AD7654發(fā)送8個(gè)時(shí)鐘脈沖，與此同時(shí)單片機就可以通過(guò)P2.2口從SDOUT上讀取8位轉換的數據。串行從模式下讀數據時(shí)序圖如圖3所示。

該系統中微處理器ADuC848與A/D轉換器AD7654之間的數據傳送采用SPI(串行外設接口)方式。SCLOCK是主機的時(shí)鐘線(xiàn)，為MISO數據的發(fā)送和接收提供同步時(shí)鐘信號。每一位數據的傳輸都需要1次時(shí)鐘作用，因而發(fā)送或接收1個(gè)字節的數據需要8個(gè)時(shí)鐘的作用。SPI有2個(gè)相關(guān)的寄存器：即SPICON和SPIDAT，其中SPICON包含各種標志位、使能位、方式位及時(shí)鐘位；另一個(gè)SPI寄存器是SPIDAT，對這一寄存器的寫(xiě)操作會(huì )使SCLOCK產(chǎn)生8個(gè)時(shí)鐘脈沖，從高位開(kāi)始一位一位地發(fā)送數據。如果寫(xiě)操作發(fā)生在其他數據正在傳輸的過(guò)程中，那么WCOL將置位。如果寫(xiě)操作進(jìn)行時(shí)沒(méi)有其他數據在傳輸，輸入字節保留在移位寄存器中，此時(shí)ISPI自動(dòng)置位(如果有中斷設置，則產(chǎn)生中斷)，移位寄存器的數據將被鎖存到SPIDKT中，此后對SPIDAT的讀操作將把數據讀出。SPI時(shí)序圖如圖4所示。

4 應用軟件設計
下面給出數據采集實(shí)驗中，AD7654工作在串行從模式下的軟件流程(如圖5所示)和核心匯編源程序(轉換結果存在30H中)。

匯編源程序：

5 結束語(yǔ)
采用AD7654串行模式進(jìn)行A/D轉換具有速度快、精度高、功耗低、占用口線(xiàn)少的優(yōu)點(diǎn)，非常適用于A(yíng)C伺服電動(dòng)機控制、頻率轉換、三相功率監視、不間斷電源、四通道數據取樣和汽車(chē)電子等方面。該系統電路已在實(shí)驗中調試通過(guò)，實(shí)際應用中應考慮靈活性，所有控制線(xiàn)均由軟件控制實(shí)現。