24位高精度模数转换器ADS1258的原理及应用

新 特 器 件 应 用 2 4 4 k高精 度 模数 转换 器 A D S 1 2 5 8的 原理及 应 用 一 6 l 一 2 4 位高精度模数转换器A D S 1 2 5 8的原理及应用 金 永 杰 u ，龙 平 ，熊剑 平 ( 1 陕西宝成航 空仪 表有限责任公司 ， 陕西 宝鸡7 2 1 0 0 6 ； 2 清华大 学 精 密仪器与机械学 系， 北京 1 0 0 0 8 4 ) 摘要 ： 介绍了 l 6通道 、 低功耗 、 高精度 A D转换 器 A D S 1 2 5 8的性能特点、 引脚功能和 内部结构， 给 出了 A D S 1 2 5 8与 C 8 0 5 1 F 1 2 0之间通过 S P I 通信的接 口硬件电路设计 ， 提 出了在 实际电路设计中应 注意 的 问题 。 关键词：A D S 1 2 5 8 ； A D转 换 ： S P I ； C 8 0 5 1 F 1 2 0 ； 多路 复 用器 中图分类号： T P 3 3 5 文献标识码 ： B 文章编号： 1 0 0 6 6 9 7 7 ( 2 0 0 8 ) 0 6 - 0 0 6 1 - 0 3 P r i n c i p l e a n d a p p l i c a t i o n o f 2 4 - b i t h i g h r e s o l u t i o n a n a l o g - t o - d i g i t a l c o n v e r t e r ADS 1 2 5 8 J I N Y o n g - j i e ， - ，L O NG p i n g ，X I O N G J i a n - p i n g S h a a n x i B a o c h e n g A v i a t i o n I n s t r u m e n t C O ， L T D， B o o j i 7 2 1 0 0 6 ， C h i n a ； 2 D e p a r t m e n t o f P r e c i s i o n I n s t r u m e n t s a n d Me c h a n o l o g y ， T s i n g h na U n i v e r s i t y ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n t h i s p a p e r ， t h e f e a t u r e ， p i n f u n c t i o n a n d s t r u c t u r e o f ADS 1 2 5 8 h i g h r e s o l u t i o n a n a l o g t o d i g i t a l c o n v e r t e r a r e i n t r o d u c e d T h e a p p l i c a t i o n c i r c u i t o f S P I i n t e r f a c e b e t we e n C8 0 5 1 F 1 2 0 An d ADS 1 2 5 8 i s g i v e n T h e q u e s t i o n s wh i c h i n t h e s y s t e m d e s i g n n e e d s t o p a y a t t e n t i o n a r e e x p l a i n e d Ke y wo r d s ： ADS1 2 5 8； A D c o n v e rte r ； S PI ； C8 051 F1 2 0； mu l t i p l e x e r 1 概述 A D S 1 2 5 8是 ， 兀公司推 出的一款高精度 、低功 耗 、 低噪声 的 l 6通道( 多路复用 的) 2 4位 一 型模 数转换器 ( A D C ) 其内部集成了输入多路复用器 、 模 拟低通滤波器 、 数字滤波器等功能 。内部有多种控 制寄存器 用户通过不同的配置得到不同的 A D采 样速率 、 采样模式 、 A D转换精度等。 适用于对性能 、 功耗要求高 、 模拟通道要求多的数据采集系统。 2 ADS 1 2 5 8主要特点及 引脚 功能 2 1 主要 特点 A D C， 2 4位转换精度 ，定通道采样速率为 1 2 5 K s s ( 可 编程 ) ， 自动通 道检测通道采样速率为 2 3 7 K s s ( 可 编程 ) ； 模拟输入 多路 复用器可 配置成 8路差分输入 或 l 6路单极输入 。多路复用器 的输 出可通 过外部 获得 这就能在 A D C输入之前采用共享 的信号调节 通道 ： 0 5 V C的失 调 漂 移 、 最大 0 0 0 1 0 的满量 程 整 数非线 性误 差 ： 工作 电压范围为 2 7 5 2 5 V： 内部带有针对低噪声性能进行了专 门优化的 5 阶正弦数字滤波器 ： 带有串行外设接 口( S P I ) ； 与其他 A D C相 比 。 A D S 1 2 5 8具有精度高 、 转换 数率快 、 功耗低 、 工作性能好等特性 ， 适用于设备与 系统监控 、 数据采集 、 医疗 、 航空电子 、 测试测量等 多通道应用场合。 2 2 引脚功能 A D S 1 2 5 8采用 Q F N - 4 8小型封装 ， 各引脚功能 定 义 如下 ： A I N 0 A I N1 5 ： 模拟信号输入端 ； G P I O 0 G P 1 0 7 ： G P I O信号输入 输出端 ： 收稿 日期 ： 2 0 0 8 0 4 - 0 8 稿件 编号： 2 0 0 8 0 4 0 0 8 作者简介： 金永杰( 1 9 7 3 一 ) ， 男， 硕士， 高级工程师。 研究方向： 计算机通讯和导航控制技术。 维普资讯 一6 2 一 国 J t- 子 元 器# - 2 o o s 年第6 塑 C L K S E L ： H 钟信号选择输入端； S C L K： S P I 接 E l 时钟输入端； = D I N： S P I 接 口数据输入端； D O U T ： S P I 接口数据输 出端； 面 ： 数据准备好输 出端； S T A R T ： 数据开始转换信号输入端； 一 C S ： S P I 接 口片选端； VR E F N： 参考电压输入端 ( + ) ； V R E F P ： 参考 电压输入端( 一 ) ； A D C I N N： 模拟差分输入端 ( 一 ) ； A D C I N P ： 模拟差分输入端 ( + ) ； MU X O U T N： 多路复用器差分输出端( 一 ) ； MU XO U T P： 多路复用器差分输出端( + ) ； D VD D： 数字 电源 ， 2 7 5 2 5 V； R E S E T： 复位端。 2 3 结构 原 理 图 1 为 A D S 1 2 5 8的内部结构框图。 A D S 1 2 5 8主 要 由模拟多路开关( MU X ) 、 可共享的信号调理通道 、 4阶 一 A D C、 5阶 正 弦数 字 滤 波器 、 S P I接 口 、 G P I O接 口、 时钟发生器 、 控制器等组成。模拟信 号从 A I N 0 A I N1 5引脚输入 ， 通过多路模拟开关 可将其配置成 8路差动输入或 1 6路单极输入 ， S C L K 通过 共用 的信号调 理通道 ，输 入到 4阶 一 A D C实现 2 4位 A D转换 ，通过数字滤波器， 最 终 以 S P I 接 口的形式输出数字信号。在使用外 部可共享 的信号调理通道时 ， 根据实 际情况 ， 可 关 闭所使用的调 理通道 只需将 寄存器 C O N F I G 0 的第 4位 ( B Y P A S ) 置 0即可关 闭外部调理通道 ， 直 接在 A D S 1 2 5 8内部实现连接。但是 ， 在大多数使用 条件下 ， 为获得更高的 A D转换精度 ， 建议使用外 部信号调理通道。 A D S 1 2 5 8采用 4线制( 时钟信号 S C L K、 数据输 入 D I N、数据输出 D O U T和片选 ) S P I 通信方式 ， 由 于 A D S 1 2 5 8无法控制 S P I 何 时开始传输 ， 而是 由主 机控制数据传输 ， 因此 A D S 1 2 5 8只能工作在 S P I 通 信的从模式下 ，设计 时可通 过各种 主控制器控制 A D S 1 2 5 8片上的寄存器 ，并通过 S P I 接 口读写这些 寄存器 。通过 S P I 接 口进行通讯时， 必须保持 C S信 号为低 电平 ， 引脚 用于表 明转换是 否完成 ， 面 为低时， 说明转换 已完成 ， 可以直接通过通道 读取数据或通道读数据命令从 D O U T引脚上读出转 换数据。S P I 通信 ， 可同步发送和接收数据 ， 而且数据 也 可利用 S C L K和 D I N， D O U T信 号 同步移 动 。在 S C L K的下降沿系统通过 D I N向 AD S 1 2 5 8发送数 据 ：而 在 S C L K 的 上 升 沿 ，系 统 则 通 过 D O U T从 A D S 1 2 5 8读取数据。D I N和 D O U T也通过一条双向 信号线与主控制器相连。图 2给出 S P I 通讯时序图。 图 2 S P I 通 讯时序图 2 4 主 要寄存 器 I 一 l l 厂 +主主 网 鱼 揎 l + 一堡 垦l 模 l 漏序 P l 拟 L _ = r - a 接口 卜 多 电 源监 测 f 十 路 - N 逻 辑 开 ： l A D C 通 道 控 和 一 一 控制 卜 _ 六 f f f L l 厂 + l 外 部 基 I l准 河 l1 l 、笙H 兰 f 1 A v s u ) 0 U T P A D C N P V R E F N R E F P G N D M UX O U T N A D C I N N 图 1 A D S 1 2 5 8内部结构框图 A D S 1 2 5 8工作过程的建立 主要 通过设置其 独立寄存器来实现的。这些寄存器包括出厂时 所有需要设 置的信息 。 如采样模 式 、 外部信号调 理通道开关 、 时钟模式的选择 、 模拟输 入是单极 输入还是差分输入等 等。表 1 给 出了 A D S 1 2 5 8 的主要寄存器 。其中 C O N F I G 0和 C O N F I G1为 状态寄存器 ， MU XS C H为多路 固定通道 选择寄 存器 ， MU X D I F为多路模 拟差分输 入配置寄 存 器 ， MU X S G 0和 MU X S G 1为模 拟单极输入 通道 选择寄存器。状态寄存器 C O N F I G 0的最高位 由 制造商 设定 为 0 ，不能更 改 。S P I R S T决定 了 A D S 1 2 5 8的 S P I 接 口复位 时间 ， S P I R S T = 1时其 复位时间为 4 0 9 6 ； S P I R S T = 0时则 为 2 5 lk 。 MU X MO D是扫描模式选择位 ，当 MU X MO D = 0 时采用 自动扫描模式 ： MU X MO D= I时采用 固定 O1 2 3 4 5 6 7 8 9 O12 3 4 5M MMMM mM A AA A AA A A AA 维普资讯 2 4 位 高精度 模数 转换 器 A D S 1 2 5 8的 原理及 应 用 - 6 3 - 表 1 AD S 1 2 5 8主要寄存 器 地址 寄存器 默认值 B I r 7 B I T 6 B I T 5 B I T 4 B I r 3 B I I 2 B I T 1 B I r I D 0 0 h C0 NF I G0 0 Ah 0 S P I RS r MUXM0D B YP AS C L KE NB C HOP S TA T 0 01 h C0NFI G1 8 3h I DLM0D DL Y2 DLY1 DI JY0 S BCS1 S BCS o DRATE1 DRATE0 0 2h MUXSCH 0 0h AI NP 3 AI NP2 AI NP1 AI NP0 AI NN3 AI NN2 AI NN1 AI NN0 O 3h MUXDI F 0 0h DI FF7 DI FF 6 DI FF5 DI FF4 DI FF 3 DI F DI FF1 DI F F D O4h MUXSG0 FFh AI N7 AI N6 AI N5 AI N4 AI N3 AI N2 AI N1 AI N0 0 5 h MU XS G1 F F h AI N1 5 AI N1 4 AI N1 3 AI N1 2 A I N1 1 AI N1 0 AI N 9 AI N8 模式 。 B Y P A S位用于选择是否采用外部信号调理通 道 选择 位 ， B Y P AS = O时 ，内部 多路 复用 器短 接 而不 使用外部 的信号调理通道 ； B Y P AS = I 时 ，输人的模 拟信号通过共用的外部信号调理通道传输到 2 4位 一 A D C转换器。 C O N G I G 1寄存器中的 D R A T E I ： 0 位是 A D转换速率选择位 ，在 自动扫描模式下 ， D RAT E 1 ： 0 = 1 1 = 2 3 7 3 9 Ks s ； DRA T E 1 ： 0 =1 0： 1 5 1 2 3 K s s ； D R A T E 1 ： 0 = 0 1 ： 6 1 6 8 K s s ；D R A T E 1 ： 0 = 0 1 = 6 1 6 8 K s s ； D R A T E 1 ： 0 = 0 0 ： 1 8 3 1 K s s 。 3 典型应 用 3 1 硬件 设计 图 3为 A D S 1 2 5 8的单 极 多通 道应 用 电路 图 。 该 电路为多路数据采集系统 ，将外部输人 的 1 6路模 拟信号通过多路模拟开关 ， 传输到外部共用 的信号 调理通道 ，通过信号调理通道的信号调节作用 传 输给 2 4位 一 型 A D转换 器进行模数转换 A D 转换结束后 ， 将转换结果通过专 门优化的 5阶正弦 数字滤波器进行滤波 ，最后才通过 S P I 接 口传输给 C 8 0 5 1 F 1 2 0进行 处理 。 为了提高 数据 的采集精度 ，本采集 系统 采用 MA XI M公 司的具有高精度 和低 漂移 的 4 0 9 6 V电 压基准 M A X 6 1 6 4 A 。同时由于输人信号的电压范围 为 0 1 V，为了使输人信号的范围与电压基准相一 致 ， 提 高采集精度 ， 在信号通过外部信号 调理 通道 时， 调整比例因子 ， 即就是 R 7和 R 6的值 ， 使输人信 号放大 4倍 ，量 程为 0 4 V，其 电压增 益 A V： 1 + ( 2 R 7 R 6 ) ， 只要选择合适的 尺 7和 R 6 ， 使 A V - 4即可 满足要求。 同时为了提高 A D转换精度 ， 选用 R 6和 7时尽可能选择高精度的精密电阻。 3 2 软 件设 计 由于 C 8 0 5 1 F 1 2 0和 A D S 1 2 5 8都拥有各 自的硬 件 S P I 接 口， 编程比较简单 ， 只要按照 A D S 1 2 5 8的时 序图编程即可实现软件设计功能 ， 需注意以下事项 ： A I N O 3 A 8 m A O P 6 0 _ =卜_ A I N 0 2 8 9 】 A I N O 4 A 9 m A 1 P 6 1 _ _ J A I N 1 D V D D A I N O 5 A 1 0 m A 2 P 6 2 - - 一 1 A I N 2 + 5 V A I N O 6 A 1 l m A 3 P 6 3 A I N 3 A V D D 6 甲 A I N 0 7 A 1 2 m A 4 P 6 4 4 8 X T A L 1 A 1 3 m A 5 P 6 5 =4 7 I N A V S S X T A L 2 A 1 4 m A 6 P 6 6 = = =4 6 A I N 6 M O N E N A 1 5 m A 7 P 6 7 = = =4 5 2 9 T A I N 1 7 A 1 5 P 1 7 A D 0 D 0 P 7 0 = 4 0 A I N 7 D G N D A I N 1 6 A 1 4 P 1 6 A D 1 D 1 P 7 1 =3 9 A I N 8 + 4 0 9 A I N 1 5 A 1 3 P 1 5 A D 2 D 2 P 7 2 = = ：3 8 I N 90 M U V O U T F 4 4 M U V O U T P 1 A I N 1 4 A 1 2 P 1 4 A D 3 D 3 P 7 3 =3 7 A I N 1 1 M U X O U T N 4 3 M U X O U T N A I N 1 3 A 1 1 P 1 3 A D 4 D 4 P 7 4 = 3 6 A I N 1 2 A I N 1 2 A 1 0 P 1 2 A D 5 D 5 P 7 5 = 二 ：3 5 3 1 A I N 1 1 A 9 P 1 1 A D 6 D 6 P 7 6 =： 3 4 A I N 1 3 V R E F F A I N 1 0 A S P 1 0 A D 7 D 7 P 7 7 3 3 A I N 1 4 V R E F N 3 0 I 3 2 AI N 1 5 A D CI N P 4 2 A D CI N P V U U J 一 下 7 AI N C O M A D CI N N 41 A D CI N N n n 1 3 ， 1 m 7 p 9 7 D n n l X O C S 1 ， ( D (D R X 0 2 3 S C L K 2 6 P 1 7 1 口 D n 1 S C K I 2 4 D I N S T A R T 1 9 A D A D i Ml S U I I 1 6 M H 7 1 D Oj 2 5 I N T 0 A 1 l m A 3 P 2 3 P 0 4 M O 5 l f 1 9 C L K 0 D R D Y 1 1瓦 行 1 0 m A 2 P 2 2 A L E ， P ) 5 N X X j j V o 。 A g m A1 2 1 R D P 0 6 T X 1 P L L CA P。P。_。W。_。F-m N 1 0 R X 1 X T ， 。L 1 占 C 8 0 5 1 F 1 2 0 丽 P 0 7 X T G2 4 - 1 V 图 3 A D S 1 2 5 8的应用电路图 一3 N4 0PA2365AID P 一w 5 C4 1 0“F 维普资讯 一6 4 一 国外电子元器 4 ) 2 o o 8年第 6期 使用 S P I 接 口时 ， 要先对行 S P I 接 口进行复位 ， 可采用硬件复位或软件复位 ， 但是 即使采用硬件电 路复位 ， 使 C S信号固定在低 电平时 ， 还要进行 S P I 软件接 口复位 ， 否则有可能使 S P I 读写数据不准确。 在配置 A D转换速率时 ，在满足系统条件下 ， 尽量选择转换速率比较低的工作模式 ， 这样可 以提 高转换精度 ； 为达到最佳性能 ， 在电路布局时要使数字信号线 与模拟信号线相隔离 ， 可根据实 际应用需要 ， 可选 择数字电源和模拟 电源工作在不 同的电压模式。 4 结 语 A D S 1 2 5 8具有 转换 速率快 、 高精 度 、 低 功耗 、 驰 驰 驰 驰也 驰 驰 驰 驰 驰 业 驰 驰 接 口简单等优点 ，非常适合多通道高精度数据采 集领域的使用 。目前 ， 基于 A D S 1 2 5 8的数据采集处 理 系统 已经在某导航 系统 中使用 ，并且取得 了很 好效果 。 参考 文献 ： 1 T e x a s I n s t r u m e n t A D S 1 2 5 8 D a t a s h e e t D B 0 L h t t p ： f o c u s t i c o m l i t d s s y ml i nk a d s 1 2 58 pd f ， 2 0 0 7 2 S i l i c o n L a b o r a t o r i e s C 8 0 5 1 F 1 2 0 1 2 3 4 5 6 7 D a t a s h e e t D B O L h t t p ： w - s i l a b s c o m p u b l i c d o c u me n t s t pu b _ d o c ds h e e t Mi c r o c o nt r o l l e r s Pr e c i s i o n _ Mi x e d -S i g n a l e n C8 051 F1 2 x -1 3 x pd f ， 2 0 0 4 f 上接 第 5 1页) MS P 4 3 0 F 2 2 7 2主要 处理与 2个外 部器件 的接 口， 首先对器件初始化， 读取 MS 5 5 3 4 B的参数值 ， 然 后是间断唤醒