新型8通道24位模数转换器ADS1216及其应用
新型8通道24位模数转换器ADS1216及其应用 关键词：ADS1216；SPI；
Δ－∑；
光学浮标 １ ＡＤＳ１２１６概述 ＡＤＳ１２１６是Ｂｕｒｒ－Ｂｒｏｗｎ产品线中的一款新型、高精度、 宽动态范围、Δ－∑型８通道２４位ＡＤＣ。它通过ＳＰＩ接口与外界进行信息 交换，具有２２位有效分辨率，工作电压范围为２．７Ｖ～５．２５Ｖ。该器件 可以通过选择内部缓冲来提高阻抗，并可提供全量程电压５０％的偏移校正，此 外，ＡＤＳ１２１６还具有内外两种参考电压供给方式。
图1 ＡＤＳ１２１６主要应用于工业过程控制、液态／气态色谱仪、血液分析、 智能变送器、便携式仪器、压力传感器以及其它一些要求高精度、低功耗的测量 仪器中。ＡＤＳ１２１６的主要特点如下：
●低非线性度：０．００１５％；
●采用单周期转换模式；
●功耗小于１ｍＷ；
●可配置为８路差分输入；
●具有可编程增益放大器，Ｇ＝１时，可提供２２位有效分辨率；
Ｇ＝ １ ２８时，可提供１９位有效分辨率；
●带有ＳＰＩ通讯接口；
●数据输出速率在１０Ｈｚ～１ｋＨｚ内可编程；
●具有芯片自校准功能。
图2 ２ ＡＤＳ１２１６的结构原理及寄存器功能２．１ ＡＤＳ１２１６的内部结构及工作原理 图１所示为ＡＤＳ１２１６的内部结构和外部主要引脚。ＡＤＳ１２１６ 内部主要由模拟多路开关（ＭＵＸ）、输入缓冲器（ＢＵＦ）、可编程增益放大 器（ＰＧＡ）、二阶Δ－∑调制器、可编程数字滤波器、微控制器、１６个状态 ／控制寄存器、１２８字节ＲＡＭ、串行ＳＰＩ接口、两个８位ＤＡＣ、内部参 考电压产生器以及时钟发生器等组成。其中，输入多路选择器（ＭＵＸ）主要用 来提供八路模拟输入差分组合。当模拟输入的通道１被选择为正差分输入通道时， 其余的通道则可被选作负的差分输入端。这样，其共地端引脚ＡＩＮＣＯＭ就可 以非常方便地实现八通道差分输入。ＡＤＳ１２１６内部还有一个二极管温度传 感器，它是否工作可通过对内部ＭＵＸ寄存器的配置来选择。
输入缓冲器（ＢＵＦ）用于在信号通路中隔离开关电容器阵列与外部电路。
在没有输入缓冲器时，ＡＤＳ１２１６的输入阻抗为５ＭΩ，当使用ＡＤＳ１２ １６内部缓冲器时，其输入电压的波动减小，输入电流增大。其内部输入缓冲器 是通过ＢＵＦＦＥＲ引脚和内部ＡＣＲ寄存器的ＢＵＦＦＥＲ位共同控制的。
ＡＤＳ１２１６内部的可编程增益放大器（ＰＧＡ）的放大倍数可以通过 ＡＣＲ寄存器设定为１到１２８，增益步长为２。
ＡＤＳ１２１６内部的调节器是一个二阶Δ－∑系统。调节器以ｆＭＯＤ 的频率工作，ｆＭＯＤ时钟频率来自外部时钟ｆＯＳＣ。频率的分割来自设置寄 存器（ＳＥＴＵＰ）的ＳＰＥＥＤ位。设计时，通过ＳＰＥＥＤ位为１或０可以 将ｆＭＯＤ的频率设置为ｆＯＳＣ／２５６或ｆＯＳＣ／１２８。
通过数字滤波器可提高ＡＤＣ的转换精度和分辨率。数字滤波有一定的建 立时间。ＡＤＳ１２１６内部可以分为快速建立、ｓｉｎｃ２或ｓｉｎｃ３三种 滤波方式。快速方式建立时间最短，但滤波精度也最低，而ｓｉｎｃ３的建立时 间最长，但滤波精度最高。
ＡＤＳ１２１６提供有两种参考电压供给方式，上电默认参考电压是内部 ２．５Ｖ。参考电压的选择可通过ＳＥＴＵＰ寄存器的设置来完成。内部参考电 压可选择１．２５Ｖ或２．５Ｖ。参考电压输出端应该有一个０．１μＦ的电容 接地。外部参考电压是差动输入，输入范围为０～２．５Ｖ。通过ＡＤＳ１２１ ６的ＶＲＣＡＰ引脚可为内部参考电压提供一个旁路电容以滤除内部参考电压 的噪声，当使用外部参考电压时，该脚可以不连。图3 ＡＤＳ１２１６采用四线制（时钟信号线ＳＣＬＫ、数据输入线ＤＩＮ、数 据输出线ＤＯＵＴ以及片选线ＣＳ）ＳＰＩ通讯方式。ＳＰＩ的最大通信时钟可 达ｆｏｓｃ／４。ＡＤＳ１２１６只能工作在ＳＰＩ通讯的从模式下，可通过各 种主控制器（如单片机等）给它发送同步传送命令。在ＳＰＩ传送过程中，数据 被同步地发送和接收，ＳＣＬＫ和ＤＩＮ、ＤＯＵＴ同步移动。图２所示是ＳＰ Ｉ通讯时序关系，其中ＰＯＬ信号用来控制时钟脉冲的极性。通过ＰＯＬ可选择 ＳＣＬＫ是高电平有效还是低电平有效。
ＡＤＳ１２１６使用两种典型的存储器：寄存器和ＲＡＭ。１６个寄存器 可直接控制ＡＤＳ１２１６的工作过程，而且这１６个寄存器可以被直接读写。
实际上，这些寄存器包括了所有用来配置ＡＤＳ１２１６的部分，比如数据格式、 通道选择、参考电压设置等。
整个器件工作过程的建立可通过对１６个独立的寄存器的设置来完成。读 或写寄存器或存储器都是以字节为单位的。而寄存器与ＲＡＭ之间的数据传输则 是以块为基础来进行的。ＲＡＭ和寄存器之间是相互独立的。
内部存储器（包括寄存器和ＲＡＭ）的地址均为线性的，寄存器地址为０ ０Ｈ～０ＦＨ。为便于八通道数据独立存储以及同寄存器之间进行数据的块传输， １２８字节ＲＡＭ被划分成８个相互独立的块。每一个块的偏移量均为００Ｈ～ ０ＦＨ。所以，每块各单元的地址可以看作块地址和偏移量的组合。如地址１４ Ｈ则等于第一个ＲＡＭ块且偏移量为０４Ｈ的单元。
ＡＤＳ１２１６的同步操作可利用外部时间提供一个精确的同步以用于 Ａ／Ｄ转换。它既可通过芯片的ＤＳＹＮＣ引脚提供，也可通过内部ＤＳＹＮＣ 命令提供。
２．２ ＡＤＳ１２１６主要寄存器功能 在ＡＤＳ１２１６的１６个寄存器中有五种寄存器是最主要的，表１为这 五种寄存器的操作格式。
表1 ADS1216的主要寄存器格式（１）ＳＥＴＵＰ寄存器（地址为００Ｈ），为建立寄存器；
复位值为ｘ ｘｘ ０１１１０。该寄存器的前三个ＩＤ位由出厂设定；
ＳＰＥＥＤ为多路选 择器时钟速度，为０时，ｆＭＯＤ＝ｆＯＳＣ／１２８；
为１时，ｆＭＯＤ＝ｆ ＯＳＣ／２５６；
ＲＥＦ ＥＮ用于选择参考电压，为０时，使用内部参考；
为 １时使用外部参考；
当ＲＥＦ ＨＩ为０时，内部参考电压为１．２５Ｖ；
为１ 时内部参考为２．５Ｖ；
ＢＵＦ ＥＮ用于选择缓冲，为０表示未使用内部缓冲；
为１表示使用内部缓冲；
ＢＩＴ ＯＲＤＥＲ用于表示数据缓冲器数据位的输出 顺序；
为０表示高位在先，为１表示低位在先。
（２）ＭＵＸ寄存器（地址０１Ｈ），为多路选择器控制寄存器；
复位值 为０１Ｈ。其中的ＰＧＡ２ ＰＧＡ１ ＰＧＡ０用于可编程增益放大倍数的选 择，具体为：０００＝１， ００１＝２，０１０＝４，０１１＝８，… １１ １＝１２８。
（３）ＡＣＲ寄存器（地址为０２Ｈ），为模拟控制寄存器；
复位值为０ ０Ｈ。其中ＤＲＤＹ为数据准备好信号（只读）；
Ｕ／Ｂ用于表示数据格式，０ 为双极性，１为单极性；
ＳＭＯＤＥ１和ＳＭＯＤＥ０用于设置滤波模式，００ 为自动；
０１为快速建立滤波模式，１０为Ｓｉｎｃ２滤波方式；
１１为Ｓｉ ｎｃ３滤波；
ＤＥＣ１０、ＤＥＣ０９和ＤＥＣ０ ８是采样频率的高三位。
（４）ＥＤＣＤ寄存器（地址０８Ｈ），为采样时间寄存器（低八位）， 复位值为８０Ｈ。其中，ＰＳＥＬ３ ＰＳＥＬ２ ＰＳＥＬ１ ＰＳＥＬ０和 ＮＳＥＬ３ ＮＳＥＬ２ ＮＳＥＬ１ ＮＳＥＬ０分别用于正、负通道选择， ００００～０１１１分别表示通道ＡＩＮ０～ＡＩＮ７，１ＸＸＸ表示ＡＩＮＣ ＯＭ 除均为０或１外 ，１１１１表示温度传感器工作。
（５）Ｍ／ＤＥＣ１寄存器（地址为０９Ｈ），为模式和采样频率寄存器， 复位值为０７Ｈ。ＡＤＳ１２１６的采样时间变化范围是２０～２０４７（１１ 位），ＤＥＣ０寄存器是其低八位，而１１位中的高三位在Ｍ／ＤＥＣ１寄存器 中，默认的采样频率是１０Ｈｚ（晶振为２．４５７６Ｈｚ）。
３ ＡＤＳ１２１６的应用 ３．１ ＡＤＳ１２１６与单片机Ｃ８０５１Ｆ０２０的接口 Ｃ８０５１Ｆ０２０（简称Ｆ０２０）是美国Ｃｙｇｎａｌ公司推出的一种混合信号ＳＯＣ型８位单片机。它可用硬件实现ＳＰＩ串行接口，因此在与Ａ ＤＳ１２１６进行通讯时，可以省去一般Ｉ／Ｏ口模拟ＳＰＩ通讯的麻烦，而直 接采用Ｆ０２０内部的ＳＰＩ通讯控制寄存器进行设置，从而方便地实现与ＡＤ Ｓ１２１６的通讯。笔者在实际设计中，采用一片Ｆ０２０控制四片ＡＤＳ１２ １６实现了海水中向上幅照度和向下辐亮度各１２个波段的光信号检测。为了简 便起见，图３给出了一片ＡＤＳ１２１６与Ｆ０２０之间的接口电路。图３中， ＡＤＳ１２１６与Ｃ８０５１Ｆ０２０的接口信号有ＳＣＬＫ、Ｄｉｎ、Ｄｏｕ ｔ、ＣＳ、数据准备好信号ＤＲＤＹ、Ａ／Ｄ转换同步信号ＤＳＹＮＣ以及内部 缓冲器使能信号ＢＵＦＦＥＲ。其中ＳＣＬＫ、Ｄｉｎ、Ｄｏｕｔ分别连接在Ｆ ０２０的Ｐ０．２、Ｐ０．３、Ｐ０．４，这三个引脚通过Ｆ０２０内部的ＳＰ Ｉ控制寄存器被配置为ＳＰＩ通讯端口，而将其它的信号线直接连接在Ｆ０２０ 的普通Ｉ／Ｏ口便可以进行位控或状态位的读取。
３．２ 软件流程 根据设计要求，在将本系统运用于海洋光学浮标光学幅照度、辐亮度测量 仪中时，针对具体的应用，其主要部分的程序流程如图４所示。
４ 小结 通过笔者的设计及实验，在使用ＡＤＳ１２１６时，应注意以下几点：
（１）在ＡＤＳ１２１６片外要将其模拟地和数字地连接在一起，否则Ａ ＤＳ１２１６将无法正常工作。
（２）在设计印刷电路板时，应将外部晶振尽可能地靠近ＡＤＳ１２１６， 笔者在实验中发现：晶振离ＡＤＳ１２１６越远，其输入时序的幅值越小，当幅 值太小时，可以通过减小接入晶振两端的电容来增大其幅值，其范围应在０～２ ０ｐＦ之间。
（３）在使用ＳＰＩ通讯时，必须注意单片机和ＡＤＳ１２１６的ＳＣＬ Ｋ极性，通过ＰＯＬ引脚的设置可使主控制器和ＡＤＳ１２１６的ＳＣＬＫ极性 保持一致。
（４）为了得到稳定的转换结果，每次改变通道和发送同步信号前，应先 增加一段延时，该延时时间应随ＡＤ采样频率和滤波方式的变化而变化。