24位△一∑型模數轉換器ADSl258的功能特點和應用電路設計

1、 概述

ADSl258是TI公司推出的一款高精度、低功耗、低噪聲的16通道（多路復用的）24位△一∑型模數轉換器（ADC），其內部集成了輸入多路復用器、模擬低通濾波器、數字濾波器等功能。內部有多種控制寄存器，用戶通過不同的配置得到不同的A／D采樣速率、采樣模式、A／D轉換精度等。適用于對性能、功耗要求高、模擬通道要求多的數據采集系統。

2、 ADSl258主要特點及引腳功能

2．1 主要特點

△一∑ADC，24位轉換精度，定通道采樣速率為125 Ks／s（可編程），自動通道檢測通道采樣速率為23．7 Ks／s（可編程）；

模擬輸入多路復用器可配置成8路差分輸入或16路單極輸入。多路復用器的輸出可通過外部獲得，這就能在ADC輸入之前采用共享的信號調節通道；

0．5μV／℃的失調漂移、最大0．001 0％的滿量程整數非線性誤差；

工作電壓范圍為2．7～5．25 V；

內部帶有針對低噪聲性能進行了專門優化的5階正弦數字濾波器；

帶有串行外設接口（SPI）；

與其他ADC相比，ADSl258具有精度高、轉換數率快、功耗低、工作性能好等特性，適用于設備與系統監控、數據采集、醫療、航空電子、測試測量等多通道應用場合。

2．2 引腳功能

ADSl258采用QFN一48小型封裝，各引腳功能定義如下：

AINO～AINl5：模擬信號輸入端；

GPl00~GPl07：GPIO信號輸入／輸出端；

CLKSEL：時鐘信號選擇輸入端；

SCLK：SPI接口時鐘輸入端；

DIN：SPI接口數據輸入端；

DOUT：SPI接口數據輸出端；

DRDY：數據準備好輸出端；

START：數據開始轉換信號輸入端；

CS：SPI接口片選端；

VREFN：參考電壓輸入端（+）；

VREFP：參考電壓輸入端（一）；

ADCINN：模擬差分輸入端（一）；

ADCINP：模擬差分輸入端（+）；

MUXOUTN：多路復用器差分輸出端（一）；

MUXOUTP：多路復用器差分輸出端（+）；

DVDD：數字電源，2．7~5．25 V；

RESET：復位端。

2．3 結構原理

圖l為ADSl258的內部結構框圖。ADSl258主要由模擬多路開關（MUX）、可共享的信號調理通道、4階△一∑ADC、5階正弦數字濾波器、SPI接口、GPIO接口、時鐘發生器、控制器等組成。模擬信號從AINO～AINl5引腳輸入，通過多路模擬開關可將其配置成8路差動輸入或16路單極輸入，通過共用的信號調理通道，輸入到4階△一∑ADC實現24位A／D轉換，通過數字濾波器，最終以SPI接口的形式輸出數字信號。在使用外部可共享的信號調理通道時，根據實際情況，可關閉所使用的調理通道，只需將寄存器CONFIGO的第4位（BYPAS）置0即可關閉外部調理通道，直接在ADSl258內部實現連接。但是，在大多數使用條件下，為獲得更高的A／D轉換精度，建議使用外部信號調理通道。

ADSl258采用4線制（時鐘信號SCLK、數據輸入DIN、數據輸出DOUT和片選）SPI通信方式，由于ADSl258無法控制SPI何時開始傳輸，而是由主機控制數據傳輸，因此ADSl258只能工作在SPI通信的從模式下，設計時可通過各種主控制器控制ADSl258片上的寄存器，并通過SPI接口讀寫這些寄存器。通過SPI接口進行通訊時，必須保持CS信號為低電平，DRDY引腳用于表明轉換是否完成，DRDY為低時，說明轉換已完成，可以直接通過通道讀取數據或通道讀數據命令從DOUT引腳上讀出轉換數據。SPI通信，可同步發送和接收數據，而且數據也可利用SCLK和DIN，DOUT信號同步移動。在SCLK的下降沿，系統通過DIN向ADSl258發送數據；而在SCLK的上升沿，系統則通過DOUT從ADSl258讀取數據。DlN和DOUT也通過一條雙向信號線與主控制器相連。圖2給出SPI通訊時序圖。

2．4 主要寄存器

ADSl258工作過程的建立主要通過設置其獨立寄存器來實現的。這些寄存器包括出廠時所有需要設置的信息，如采樣模式、外部信號調理通道開關、時鐘模式的選擇、模擬輸入是單極輸入還是差分輸入等等。表l給出了ADSl258的主要寄存器。其中CONFIG0和CONFIGl為狀態寄存器，MUXSCH為多路固定通道選擇寄存器，MUXDIF為多路模擬差分輸入配置寄存器，MUXSG0和MUXSGl為模擬單極輸入通道選擇寄存器。狀態寄存器CONFIG0的最高位由制造商設定為0，不能更改。SPIRST決定了ADSl258的SPI接口復位時間，SPIRST=l時其復位時間為4 096fclk；SPIRST=O時則為256fclk。MUXMOD是掃描模式選擇位，當MUXMOD=0時采用自動掃描模式；MUXMOD=l時采用固定模式。BYPAS位用于選擇是否采用外部信號調理通道選擇位，BYPAS=0時，內部多路復用器短接而不使用外部的信號調理通道；BYPAS=l時，輸入的模擬信號通過共用的外部信號調理通道傳輸到24位△一∑ADC轉換器。CONGIGl寄存器中的DRATE［1：0］位是A／D轉換速率選擇位，在自動掃描模式下，DRATE［1：0］=ll=23．739 Ks／s；DRATE［1：O］=10=15．123 Ks／s；DRATE［l：0］=0l=6．168 Ks／s；DRATE［l：O］=Ol=6．168 Ks／s；DRATE［1：0］=00=1．83l Ks／s。

3、 典型應用

3．1 硬件設計

圖3為ADSl258的單極多通道應用電路圖。該電路為多路數據采集系統，將外部輸入的16路模擬信號通過多路模擬開關，傳輸到外部共用的信號調理通道，通過信號調理通道的信號調節作用，傳輸給24位△一∑型A／D轉換器進行模數轉換，A／D轉換結束后，將轉換結果通過專門優化的5階正弦數字濾波器進行濾波，最后才通過SPI接口傳輸給C805lF120進行處理。

為了提高數據的采集精度，本采集系統采用MAXIM公司的具有高精度和低漂移的4．096 V電壓基準MAX6164A。同時由于輸入信號的電壓范圍為O~1 V，為了使輸入信號的范圍與電壓基準相一致，提高采集精度，在信號通過外部信號調理通道時，調整比例因子，即就是R7和R6的值，使輸入信號放大4倍，量程為0~4 V，其電壓增益AV=1+（2R7／R6），只要選擇合適的R7和R6，使AV=4即可滿足要求。同時為了提高A／D轉換精度，選用R6和R7時盡可能選擇高精度的精密電阻。

3．2 軟件設計

由于C805lFl20和ADSl258都擁有各自的硬件SPI接口，編程比較簡單，只要按照ADSl258的時序圖編程即可實現軟件設計功能，需注意以下事項：使用SPI接口時，要先對行SPI接口進行復位，可采用硬件復位或軟件復位，但是即使采用硬件電路復位，使CS信號固定在低電平時，還要進行SPI軟件接口復位，否則有可能使SPI讀寫數據不準確。

在配置A／D轉換速率時，在滿足系統條件下，盡量選擇轉換速率比較低的工作模式，這樣可以提高轉換精度；

為達到最佳性能，在電路布局時要使數字信號線與模擬信號線相隔離，可根據實際應用需要，可選擇數字電源和模擬電源工作在不同的電壓模式。

4、 結語

ADSl258具有轉換速率快、高精度、低功耗、接口簡單等優點，非常適合多通道高精度數據采集領域的使用。目前，基于ADSl258的數據采集處理系統已經在某導航系統中使用，并且取得了很好效果。

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