高精度单片数据采集系统MAX1400的原理及应用纯银触点

高精度单片数据采集系统MAX1400的原理及应用

高精度单片数据采集系统MAX1400的原理及应用 2011： 　传统的数据采集系统大多采用Nyquist率ADC（积分型、逐次比较型、闪烁型等），当需要较高分辨率时（16bit以上），这些传统的A/D转换技术将面监很多困难，因为它们需要复杂的高阶模拟抗混迭滤波器、定时以及幅度误差都极小的采样-保持电路等，因而实现起来困难较大，成本很高。新型的∑-△A/D转换技术能够比较低的成本获得极高的分辨率（16bit以上），但速度不易做得很高，这一点非常符合不需要很高速率，但要求较高分辨率的数字音响产品，因而首先在音频领域得到了广泛应用。大多数数据采集系统对转换速率的要求低于音频，但精度要求较高，也很适合采用∑-△结构的ADC。为此，很多模拟器件制造商开发了专用于数据采集领域的∑-△ADC，并将数据采集普遍需要的模拟前端功能集成在一起，如多路复用器、可编程增益放大器（PGA）、增益及零点校正等。这样，整个数据采集系统只需单片IC即可实现，可以直接处理传感器输出的微弱信号，而且在简化设计的同时提高了系统性能并降低了成本。这类产品中具有代表性的有ADI的AD7714系列，Cirrus Logic的CS5521系 列，Maxim的MAX1400系列等。本文以MAX1400为例简单介绍这类IC的性能特点及应用要点。1 内部结构　　MAX1400系列及其它同类产品普遍采用的结构的核心部分是一个高分辨率∑-△ADC（MAX1400为18bit），前端包括一个用来切换采样通道的多路复用器、用于隔离信号源内阻和后级电路输入阻抗的输入缓冲器；以及用来将低电平输入信号放大到适合A/D转换水平的程控增益放大器（PGA）。　　除此之外，MAX1400内部还提供了一个小电流源，在进行系统自检时可以将其接入输入通道来检测传感器的完整性。三个独立的DAC用来校正三路输入信号中的直流成分，以使输入信号落在ADC的量程以内。　　居于核心位置的∑-△ADC由一个二阶∑-△调制器和数字抽取滤波器组成，时钟产生及分频电路用于为ADC提供操作时钟。由多路开关选出的输入信号经缓冲、放大后送入∑-△调制器。∑-△调制器对输入信号以远大于Nyquist率的速度进行“过采样”，并将各样本转化为1bit分辨率的高速码流。同时对量化噪声频谱化“成形”处理，从而使大部分中量化噪声转移至基带以外。接下来，由数字抽取滤波器滤除带外噪声，再从高速码流中抽取出低速、高分辨率的码流。上述各部分电路受控于一个内部控制逻辑。控制逻辑通过串行接口接收用户控制命令并设置各部分电路的工作状态及参数，最后将转换结果通过串口送出。2 编程要点　　MAX1400内部各部分电路的工作状态由一组内部寄存器控制。这些内部寄存器包括8个可单独寻址的寄存器。其中，通信寄存器主要控制对内部寄存器的访问（寻址、读/写模式选择）；两个全局设置寄存器主要用来选择模拟输入通道、设置∑-△调制频率、数字抽取滤波器抽取因子、数字滤波器频率响应和其它工作状态；特殊功能寄存器用于控制整个器件的关疡；三个传输函数寄存器分别用来设置对应于三个模拟输入通道的PGA增益和DAC偏移量；一个24bit的数据寄存器用于保存转换结果。一般情况下，每次访问MAX1400之前都要首先向通信寄存器写入一个8bit控制码，以便选定所要访问的寄存器以及读/写操作模式。只有一种情况例外，那就是当MAX1400工作在扫描模式时（全局设置寄存器中的SCAN位置1），在每次转换完成后可以直接读取24bit数据寄存器，而不必重新设置爱信寄存器。对于MAX1400的编程大体可分为四个方面：系统工作模式选择、模拟输入通道选择、通道增益和偏移量设置以及∑-△ADC工作参数设置。　　系统工作模式选择通过编程通信寄存器、全局设置寄存器和特殊功能寄存器中的相位控制位来实现。MAX1400具有自动扫描所有通道和连续采样选定通道两种主要工作方式。另外还具有待机和掉电两种省电模式。　　模拟输入通道选择通过编程全局设置寄存器1和2中的A1、A0、M1、M0和DIFF位来实现。通过这些控制位的编程，可以设定输入多路转换开关的工作方式（单端或差分），并选定需要采样的通道。　　通道增益和偏移量由传输函数寄存器控制。三个传输函数寄存器分别对应于三个模拟输入通道，每个寄存器内均包含有设定PGA增益和DAC偏移量的代码。通过增益和偏移量的编程，可以将输入信号动态范围调整到ADC的量程之内，以充分利用ADC的有效测量范围。　　对∑-△ADC工作参数的编程直接影响到整个数据采集系统的精度、速率和功耗等关键特性，这是该种类型的ADC所特有的。∑-△ADC主要由三部分组成：时钟产生电路，∑-△调制器和数字抽取滤波器。相应 软件编程也分为三个方面：时钟频率选择，调制频率选择，数字抽取因子和滤波器选择。时钟频率选择包括两个编程位：CLK和X2CLK，CLK用于选择两种系统默认的时钟频率之一（1.024MHz或2.4578MHz）；X2CLK用于控2分频器，X2CLK=1时分频器使能，允许选择二倍于内部时钟频率的晶振或外部时钟。调制频率和调制频率，对应于两种内部时钟总共有8种调制频率可选。调制频率越高，相应

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