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16位串行模數轉換器MAX1132的特性及應用
摘要：MAX1132是美國MAXIM公司生產的16位串行模數轉換器，文章介紹了MAX1132的工作原理、接口特點及使用方法，給出了它在數據采集系統中的硬件電路和軟件程序。關鍵詞：模數轉換器；MAX1132；數據采集
１引言
模數轉換器（ＡＤＣ）是現代測控中非常重要的環節，它一般分為串行模數轉換器和并行模數轉換器。后者雖然傳輸速度快，但引腳多、體積大、占用單片機口線多；而串行ＡＤＣ的傳輸速率也可以做的很高，并且具有體積小、功耗低、占用單片機口線少等優點。因此，串行ＡＤＣ的應用越來越廣泛。
ＭＡＸ１１３２是ＭＡＸＩＭ公司生產的單電源、低功耗、１６位、單／雙極性轉換的高精度串行逐次逼近型ＡＤＣ。其內部帶有跟蹤／保持及校準電路，可使用內部或外部參考電壓及時鐘。采樣速率最高可達到２００ｋｓｐｓ?最低消耗電流為７．５ｍＡ。若工作于關閉模式，消耗電流可降低到２．５μＡ。該ＡＤＣ可應用于工業過程控制、數據采集系統、便攜式數據記錄、醫療或掌上設備以及系統檢測等領域。
２ＭＡＸ１１３２的引腳功能
ＭＡＸ１１３２是可編程的單通道ＡＤＣ，采用２０引腳ＳＳＯＰ封裝形式，其引腳排列如圖１所示。各引腳的功能如下：
ＲＥＦ：參考電壓緩沖輸出／ＡＤＣ參考電壓輸入，可用作模數轉換的參考電壓；
ＲＥＦＡＤＬ：參考帶隙輸出端／參考帶隙緩沖輸入端；
ＡＧＮＤ：模擬地；
ＡＶＤＤ：＋５Ｖ±５％模擬電源；
ＤＧＮＤ：數字地；
ＳＨＤＮ：關閉控制輸入端；
Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２：分別為用戶可編程輸出０，１，２；
ＳＳＴＲＢ：串行選通輸出端；
ＤＯＵＴ：串行數據輸出端；
ＲＳＴ：復位引腳；
ＳＣＬＫ：串行數據時鐘輸入端；
ＤＶＤＤ：＋５Ｖ±５％數字電源；
ＤＩＮ：串行數據輸入端；
ＣＳ：片選端；
ＣＲＥＦ：旁路緩沖參考端；
ＡＩＮ：模擬輸入端。
３工作原理
ＭＡＸ１１３２通常由時鐘將控制字節從串行數據輸入端(ＤＩＮ)打入其內部移位寄存器，以決定其工作模式并啟動轉換。當ＣＳ變低或一次轉換(或校準)結束以后，ＤＩＮ端接收到的第一個邏輯“１”被定義為控制字節的開始位（ＭＳＢ）。在該位到達前，由時鐘打入ＤＩＮ的邏輯“０”均無效，ＤＩＮ的每位數據均在每個ＳＣＬＫ的上升沿打入ＭＡＸ１１３２內部移位寄存器。值得注意的是：如果在當前的轉換完成以前，一個新的開始位被時鐘打入的話，當前的轉換就會被中斷，同時開始新的輸入信號采集。
ＭＡＸ１１３２可用外部或內部時鐘完成逐次逼近轉換，但兩種模式均用外部時鐘將數據移入器件或從器件中移出。在外部時鐘模式下，數據的移入移出和轉換步驟均由外部時鐘控制。內部時鐘模式下的轉換時鐘由ＭＡＸ１１３２內部時鐘發生器產生，速率最高可達８ＭＨｚ。一般要求完成一次轉換的周期是８個ＳＣＬＫ的整數倍。ＭＡＸ１１３２具有短采集（２４ＳＣＬＫ）和長采集（３２ＳＣＬＫ）兩種工作模式。單極性輸入時，直接輸出二進制數；雙極性輸入時，輸出的是二進制補碼。
ＭＡＸ１１３２還帶有３個用戶可編程的輸出口(Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２)，它們均采用推挽式ＣＭＯＳ輸出，可用來驅動多路轉換開關或ＰＧＡ。這三個編程口在缺省狀態下的輸出均為零，并且在硬件關閉模式期間均保持不變，此外，它們在上電置位時，也均被置零。
圖2
４ＭＡＸ１１３２的應用
在筆者研制開發的網絡地電影像儀系統中，由于需要檢測的地電信號的幅值范圍較大，檢測信號精度要求高，信號采集時間短，而且需要采集的信號通道多，因此對ＡＤＣ的性能提出了很高的要求。而ＭＡＸ１１３２具有雙極性轉換模式，轉換的電壓范圍可達到－１２Ｖ～＋１２Ｖ，比其他ＡＤＣ轉換電壓范圍要寬；它的精度達到１６位，轉換速度最高可達到２００ｋｓｐｓ，足以滿足系統對精度和速度的要求；雖然它內部沒有集成多路轉換開關，但本身帶有三個用戶可編程輸出口，可以很方便地控制一個多路轉換開關，以滿足系統信號采集通道多的要求；ＭＡＸ１１３２采用單電源供電，內部帶有參考電壓，可簡化外圍電路，而且使用方便。基于以上特點，筆者選用了ＭＡＸ１１３２。
圖２為ＭＡＸ１１３２與單片機進行接口的電路。圖中將ＭＡＸ１１３２的ＣＳ與單片機Ｐ１．０腳相連，ＭＡＸ１１３２的片選端由單片機經Ｐ１．０腳發出信號選通；控制字節由單片機Ｐ１．１腳輸出到ＡＤＣ的ＤＩＮ端；轉換結果則由Ｐ１．２腳從ＡＤＣ的ＤＯＵＴ端讀入單片機，讀取轉換數據的時鐘ＳＣＬＫ可由Ｐ１．４腳依次發出高低電平來構成；Ｐ１．３腳接至表示ＭＡＸ１１３２工作狀態的串行選通輸出ＳＳＴＲＢ，單片機則通過Ｐ１．３腳查詢ＡＤＣ的工作狀態；Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２三個輸出連接到多路轉換開關以控制轉換通道的切換，而進行逐次逼近轉換的時鐘則由ＭＡＸ１１３２內部時鐘發生器產生。
本應用選用ＭＡＸ１１３２雙極性、內部時鐘、短采集模式的工作方式，其工作時序如圖３所示。圖中，ｔＡＣＱ是采集輸入信號的時間，ｔＣＯＮＶ是進行轉換所需要的時間。由圖可以看出，ＭＡＸ１１３２在片選ＣＳ有效、開始位由ＤＩＮ端打入后即可開始對輸入信號的采集，并一直到控制字節Ｐ２位進入其內部移位寄存器以后便可完成對輸入信號的采集。因此，當使用ＭＡＸ１１３２的三個用戶可編程輸出口去控制一個多路開關時，要特別注意對輸入通道的切換時間。由于ＭＡＸ１１３２在應用中需要在輸入端連接一個緩沖放大器，而這個緩沖放大器在輸入信號變化時需要一定的時間去響應信號的變化，所以輸入通道應該在信號采集完成以后馬上被切換，而不是在轉換完成以后再切換。也就是說，對ＭＡＸ１１３２送當前轉換通道的控制字節時，就要將下一通道的控制信號(Ｐ２、Ｐ１、Ｐ０)送入其內部移位寄存器中并打開多路開關的下一通道，以確保緩沖放大器有足夠的時間響應信號的變化以準確完成轉換。此外，串行選通信號ＳＳＴＲＢ在轉換開始時為低，轉換結束時變高，因此，可以利用它來對單片機產生中斷或采用查詢方式判斷轉換是否完成。片選ＣＳ在這種工作方式下可以不保持為低。轉換進行時，可由一個內部寄存器存儲轉換的數據。轉換結束后，可由ＳＣＬＫ時鐘在任意時刻將數據移出，轉換結果的最高位(ＭＳＢ)會在ＳＳＴＲＢ變高后出現在ＤＯＵＴ上。
圖3
下面給出一段完整的轉換和控制程序，以供參考：
ＳＴＡＲＴ：ＣＬＲＰ１．０；片選有效
ＭＯＶＡ，＃０Ａ０Ｈ；控制字節
ＭＯＶＲ２，＃０８
ＤＩＮ：ＣＬＲＰ１．４
ＲＬＣＡ
ＭＯＶＰ１．１，Ｃ；送控制字
ＳＥＴＢＰ１．４
ＤＪＮＺＲ２，ＤＩＮ
ＣＬＲＰ１．４
ＳＥＴＢＰ１．０
ＷＡＩＴ：ＪＮＢＰ１．３，ＷＡＩＴ
ＳＴＯＲＢ：ＭＯＶＲ７，＃１６
ＣＬＲＰ１．０
ＬＯＯＰ：ＭＯＶＣ，Ｐ１．２；讀結果
ＭＯＶＡ，３１Ｈ
ＲＬＣＡ
ＭＯＶ３１Ｈ，Ａ；存高８位
ＭＯＶＡ，３０Ｈ
ＲＬＣＡ
ＭＯＶ３０Ｈ，Ａ；存低８位
ＳＥＴＢＰ１．４
ＣＬＲＰ１．４
ＤＪＮＺＲ７，ＬＯＯＰ
ＳＥＴＢＰ１．０
ＳＡ：ＳＪＭＰＳＡ
ＥＮＤ
５結束語
新型ＡＤＣ芯片ＭＡＸ１１３２與一般ＡＤＣ芯片相比，由于其僅需單一＋５Ｖ供電，同時帶有內部基準電壓且外圍電路簡單，因而可簡化電路設計。同時，基于ＭＡＸ１１３２的串行接口也易于與單片機進行連接，而且占用單片機口線少，因而能用于較為復雜的系統開發。
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