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模拟量卡芯片说明之二S-D型模数转换器ADS1213简介1. 芯片结构概述ADS121X为具有22位高精度的S-DA/D转换器，它包括一个增益可编程的放大器（PGA）、一个二阶的S-D调制器、一个程控的数字滤波器、一个时钟振荡器、一个片内的+2.5V基准电源、一个串行接口以及一个包括指令寄存器、命令寄存器和校准寄存器的片内微控制器，对ADS1213还具有4通道的多路转换开关，其结构框图如图1所示。图1 ADS12X芯片内部结构简图 ADS12X具有22位分辨率，是高精度、大动态范围的S-D型A/D转换器。其差分输入适合直接与传感器或小电压信号相连。S-D结构用于保证宽动态范围和22位不失真编码。在10HZ转换速率时，用低噪的输入放大器可获得20位的有效分辨率。在10HZ转换速率时，用独特的增强模式可获得16位的有效分辨率。应用增益可编程的放大器大大增强了转换器动态范围，增益范围为1，2，4，8，16。转换器包括一个灵活的异步串行接口，该接口是SPI兼容的。图中芯片的引脚功能介绍如下：序号引脚名称引脚功能222324123456789101112131415161718192021AGNDDGNDSCLKSDIOSDOUTMDOE通道4的同相输入端通道4的反相输入端通道3的同相输入端通道3的反相输入端通道2的同相输入端通道2的反相输入端通道1的同相输入端通道1的反相输入端模拟地偏置电压输出端片选信号串行输出数据的同步控制端系统时钟输入端系统时钟输出端数字地数字供电电压串行数据传输的控制时钟串行数据输入输出端串行数据输出端数据状态线SCLK控制输入端模拟供电电压基准电压输出端基准电压输入端2. 工作原理输入的数据通过和（对ADS1213先进入多路转换开关）进入增益可编程的放大器（PGA），由于输入信号为差动输入，因此必须保证输入端的电压满足共模电压的要求。芯片内部具有一个偏置电压发生器，它的工作与否由片内的微控制器控制，其提供的电压大小为基准电压的1.33倍，也即电压。如基准电压为+2.5V，那么该偏置电压发生器提供的偏置电压大小为+3.3V,而输入的共模电压范围为到，通过此偏置电压就可以达到使输入信号满足要求。PGA中的增益可通过片内寄存器进行设置，具体可设置的大小为1，2，4，8，16，由此增加了转换器的动态输入范围，简化了与大多数的变送器的接口电路。设置增益越大将导致输入的源阻抗越小，而且增益的大小还限制了输入采样电容的采样速度以及增强模式的设置（见表1），电容的采样速度越小使转换的精度越低，因此在设置增益时必须全面的考虑。表1 PGA的增益设置与增强模式率增强模式率可设置的增益值1248161，2，4，8，161，2，4，81，2，41，21表2 ADS12X转换器的满量程输入范围ADS1212/ADS1213增益值G=1G=2G=4G=8G=16单极性输入范围双极性输入范围10V5V5V2.5V2.51.25mV1.25V625mV625mV312mV经过PGA的输入信号，由采样电容按一定的采样速率进行采样。图2中示出了ADS12X的基本输入结构框图，图中的采样频率由时钟频率，增益大小以及增强模式率决定.在增益值为1，增强模式率为1时，时钟频率即为基本的采样频率。而且三个量中任意一个量的增加，都会导致采样频率的增加。 图2 模拟输入内部结构框图在输出数据速率不变的条件下，采样速率的增加可以使输出转换结果的精度提高。模拟输入的源阻抗也与这三个量有关，它们之间的关系为： 式(2.2) 式中 晶振频率，； G 增益的取值； TMR 增强模式率。采样电容采样后，信号就被送入二阶的S-D调制器进行模拟量到数字量的转换。数字滤波器加在调制器的后面，主要是计算来自S-D调制器的最新结果，而选取调制结果的数量取决于设置在命令寄存器中抽样率的大小。通常数字滤波器的作用，可以看作是对调制器结果的简单平均，并把这个平均后的结果作为数字滤波器的输出。因此若滤波器所用的调制器的结果越多，其输出的精度将越高，但这也必限制了输出结果的速度。而它们之间的关系为： 式(2.3)式(2.3)中的参数可以通过对芯片编程实现。 由于滤波器输出的转换结果本质上是一个平均值，因此数据输出的速率还决定了数字滤波器的陷波频率。例如，数据输出的速率为，那么在这1ms的转换周期内，对的输入噪声将被平均成零。通过这种方式，就可以用软件的方法把数据输出速率设置在一定的频率，滤除该频率下的干扰。这种滤波方法将对大量的周期性噪声十分有效，在实际应用中主要的噪声是来自于工频电源，而工频就属于一种周期性的干扰，这也是该A/D转换能具有高抗干扰能力的主要原因。ADS12X采用的数字滤波是在A/D转换的后面，与以前的模拟滤波器不同，它能去除A/D转换过程中引入的噪声，而且较容易通过编程实现。数字滤波器的输出由片内的微控制器控制，并放在片内的数据输出寄存器中，由上位机进行读取，具体与上位机进行通讯的方式见后下一节数字接口部分。3. 数字接口部分芯片内部的一切操作大多是由片内的微控制器（MC）控制的，该控制器主要包括一个算术逻辑计算单元（ALU）及一个寄存器的缓冲区。在上电后，芯片首先进行自校准，而后以340的速率输出数据。在寄存器缓冲区内，一共有5个片内寄存器如表3所示。其中指令寄存器和命令寄存器控制了转换操作的进行；数据输出寄存器（DOR）中储存了最新的转换结果；零点校准寄存器（OCR）和满刻度校准寄存器（FCR）用于校正转换的结果，它们可以通过校准操作载入，也可以由串行接口直接写入。串行接口的通讯控制由指令寄存器控制，在正常的操作状态下，任何的通讯操作都是由写INSR进行初始化的，该操作决定了芯片下一操作的类型。表3 ADS12X的片内寄存器名称大小INSRDORCMROCRFCR指令寄存器数据输出寄存器命令寄存器零点校准寄存器满刻度校准寄存器8位24位32位24位24位命令寄存器中的内容决定了ADS12X的工作模式，它包括了PGA的增益设置、增强模式率的设置、输出数据速率的设置（抽样率的大小）等。具体的每个寄存器的组成及应用在下面作详细的说明：1指令寄存器（INSR）指令寄存器是一个8位的只读寄存器，它控制了串行接口的读、写操作，以及对哪一寄存器的哪一字节进行的操作。每个串行通讯操作，都是由对INSR的写操作进行初始化的。它指出了一个串行通讯周期内，操作的类型、操作起始寄存器的地址以及操作进行的字节数。因此它对通讯周期的开始，起了一个指导作用，当所规定的字节数已传送完毕后，一个通讯周期就结束了，而另一个新的通讯周期等待用一个新的INSR操作进行初始化。其中该寄存器中每位的意义如下：MB1MB00A3A2A1A0 读/写控制位；对一个读操作该位必须是“0”，对一个写操作该位为“1”； MB1，MB0 字节控制位；这两位的取值不同，用来控制读/写操作的字节数，如下：MB1MB0字节数001101011位2位3位4位 A3A0 地址控制位；这四位用来选择读/写操作的寄存器的位置（如下所示），而且接口仍将继续读/写下一高字节（低字节）寄存器的内容，其顺序由命令寄存器中的BD位决定，并一直继续到MB1、MB0中的内容被改变。A3A2A1A0寄存器的字节位置0000000111111000111100011100100110010010100101010010数据输出寄存器的第2字节数据输出寄存器的第1字节数据输出寄存器的第0字节命令寄存器的第3字节命令寄存器的第2字节命令寄存器的第1字节命令寄存器的第0字节零点校准寄存器的第2字节零点校准寄存器的第1字节零点校准寄存器的第0字节满刻度校准寄存器的第2字节满刻度校准寄存器的第1字节满刻度校准寄存器的第0字节2命令寄存器（CMR）命令寄存器是一个可读可写的32位寄存器，用来控制ADS12X的操作方式，包括前置放大器的增益值、增强模式率、输出数据的速率等。对于一个新的设置方式，将在SCLK的下降沿处，也即在最后一位进入命令寄存器时生效。该寄存器内部各位的组成如下：字节3（高字节）BIASREFODFBDMSBSDL初始状态0100000X字节2MD2MD1MD0G2G1G0CH1CH0初始状态000正常模式000增益为100通道1字节1SF2SF1SF0DR12DR11DR10DR9DR8初始状态000增强模式率为100000字节0（低字节）DR7DR6DR5DR4DR3DR2DR1DR0初始状态00010111（23H）数据输出速率为850BIAS 偏移电压位；该位用来控制引脚的输出状态，当为“0”时偏置电压发生器处于关闭状态；当为“1”时，偏置电压发生器处于打开状态，引脚为，一般为3.3V。在无外部负载的情况下，偏置发生器消耗大约1mA的静态电流。REFO 基准电压输出位；它用于控制片内基准电压发生器的工作状态，当REFO=0时，片内的基准电压发生器关闭，引脚为高阻状态；当REFO=1时，片内的基准电压发生器正常工作，为调制器提供一定的基准电压，此时引脚输出+2.5V的电压，这也是芯片的初始状态。在片内基准电源有效时，无负载时它大约要消耗1.6mA的静态电流。 DF 输出数据范围设置位；它用来设置输出数据的数字表示形式，当为“0”时，数据以补码的形式输出；当为“1”时，数据就以二进制原码的形式输出。值得注意的是，该位仅影响数据输出寄存器对其它的寄存器不会产生任何的作用。 单双极性控制位；当此位为“1”，芯片进行正常的操作；当为“0”时，芯片转换的结果仅为正值（包括零）。 但这种模式只影响数据输出寄存器的内容，对片内的其它数据不产生影响。 BD 字节读取顺序控制位；它用于控制数据读取过程中，字节的读取顺序。如BD=1时并开始进行多字节的读取，则指令寄存器中的A3-A0指示的是高位的字节地址，接下来读取的字节为低字节；如BD=0则进行多字节的读取时，A3-A0中指示的是低字节的地址，下一读取的字节为更高位的字节。但该位对写操作不产生任何影响。 MSB 位读取顺序控制位；它控制了一字节的数据中，位的读取顺序。当MSB=1时，字节中最低位先进行读取；当MSB=0时，最高位先进行读取操作。同样，它对芯片的写操作不产生影响。 SDL 串行数据输出引脚控制位；当SDL为低时，芯片引脚SDIO不仅用于串。行数据输入还用于串行数据的输出，而输出引脚SDOUT则处于高阻的状态；当SDL为高时，串行数据仍从输出引脚SDOUT输出 只读位，它反映引脚的输出状态。也即当为“0”时，数据准备好；当为“1”时，输出数据还未准备好。 DSYNC只写位，它与位的地址相同；它的作用与DSYNC引脚的作用相同，当它为低时，对调制器的操作不产生影响；当它为高时，对调制器进行复位。因此该位可以用来减少芯片与主控制器通讯的信号线。 MD2-MD0校准序列设置位；校准序列是芯片用于提高转换结果精度的一种手段，一般在系统上电或操作环境改变时（如增强模式率、数据输出速率、操作的环境等）都须进行校准操作。当校准进行完成后，在零点校准寄存器中和满刻度校准寄存器中存有校准后的结果，用来提高转换的有效精度。芯片具有的校准操作包括自校准操作、系统零点校准操作、系统满刻度校准操作、系统伪校准操作、循环校准操作、掉电操作、正常操作，除了后三种操作模式可以一直保持外，其它的操作模式都是暂时的一旦操作完成将返回到正常的操作状态。具体的校准操作的对应关系如下：MD2MD1MD0校准操作模式000011110011001101010101正常操作自校准操作系统零点校准操作系统满刻度校准操作系统伪校准操作循环校准操作掉电操作保留 G2-G0 增益控制位；它们可以用来设置前置放大器的增益值如下 G2G1G0增益值000010011001010124816初始状态CH1-CH0通道号的选择；对ADS1213和ADS1215具有一个多路的转换开关，而根据这三位的值进行通道的选择：CH1CH0有效输入端00110101通道1通道2通道3通道4初始状态 SF2-SF0 增强模式率控制位；通过设置它们的数值，可以调节输入采样电容的采样频率及调制器的频率。但必须注意它与增益值设置大小的关系（见下表），它们乘积的大小不能超过16。SF2SF1SF0增强模式率允许增益值0000100110010101248161，2,4,8,161,2,4,81,2,41,21 DR12-DR0 抽样率设置位；它控制芯片抽样率的大小，从本质上决定了数字滤波器采用多少个调制器输出结果来计算每次转换结果。 由于调制速率决定于ADS121X的时钟频率和增强模式率，实际的数据输出速率由下等式给出： TMR即增强模式率。表XI表示了各种数据输出速率和相应的抽样率（时钟频率为 1 MHZ）。 它的有效取值从19到8000，若超过了这个范围后滤波器输出的结果将因数据不足或数据过量而不正确。抽样率的设置决定了输出数据的速率。3数据输出寄存器（DOR）数据输出寄存器是一个24位的可读可写寄存器，它存放了最新的输出转换结果。芯片进行完一个新的转换后，该寄存器就被更新而且引脚或位降为低电平，等待主控制器对它的读取。否则，在的时间间隔内，新的转换结果将覆盖老的数据。该寄存器的数据表示形式可以是补码或二进制形式，这由命令寄存器中的DF位控制。其值可由命令寄存器中的 位限制为正值。4零点校准寄存器（OCR）和满刻度校准寄存器（FSR）它们都是一个可读可写的24位寄存器，其中的内容可以是校准操作结束后由芯片自动写入的，也可以是经计算后由串行接口写入的。但它们内的数据随工作方式、供电电源、环境温度的不同而变化，因此除特殊