高精度單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)MAX1400的原理及應(yīng)用

摘要：MAX1400是美國MAXIM公司推出的一種基于∑-△A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的高精度單征數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片。文中介紹了它的工作原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及編程要點，并給出了MAX1400應(yīng)用在壓力變送器中的一種典型應(yīng)用電路。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) A/D轉(zhuǎn)換 ∑-△A/DC MAX1400

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多采用Nyquist率ADC（積分型、逐次比較型、閃爍型等），當需要較高分辨率時（16bit以上），這些傳統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)將面監(jiān)很多困難，因為它們需要復雜的高階模擬抗混迭濾波器、定時以及幅度誤差都極小的采樣-保持電路等，因而實現(xiàn)起來困難較大，成本很高。新型的∑-△A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)能夠比較低的成本獲得極高的分辨率（16bit以上），但速度不易做得很高，這一點非常符合不需要很高速率，但要求較高分辨率的數(shù)字音響產(chǎn)品，因而首先在音頻領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。大多數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對轉(zhuǎn)換速率的要求低于音頻，但精度要求較高，也很適合采用∑-△結(jié)構(gòu)的ADC。為此，很多模擬器件制造商開發(fā)了專用于數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的∑-△ADC，并將數(shù)據(jù)采集普遍需要的模擬前端功能集成在一起，如多路復用器、可編程增益放大器（PGA）、增益及零點校正等。這樣，整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只需單片IC即可實現(xiàn)，可以直接處理傳感器輸出的微弱信號，而且在簡化設(shè)計的同時提高了系統(tǒng)性能并降低了成本。這類產(chǎn)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為例簡單介紹這類IC的性能特點及應(yīng)用要點。

1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖1所示為MAX1400系列及其它同類產(chǎn)品普遍采用的結(jié)構(gòu)。核心部分是一個高分辨率∑-△ADC（MAX1400為18bit），前端包括一個用來切換采樣通道的多路復用器、用于隔離信號源內(nèi)阻和后級電路輸入阻抗的輸入緩沖器；以及用來將低電平輸入信號放大到適合A/D轉(zhuǎn)換水平的程控增益放大器（PGA）。

除此之外，MAX1400內(nèi)部還提供了一個小電流源，在進行系統(tǒng)自檢時可以將其接入輸入通道來檢測傳感器的完整性。三個獨立的DAC用來校正三路輸入信號中的直流成分，以使輸入信號落在ADC的量程以內(nèi)。

居于核心位置的∑-△ADC由一個二階∑-△調(diào)制器和數(shù)字抽取濾波器組成，時鐘產(chǎn)生及分頻電路用于為ADC提供操作時鐘。由多路開關(guān)選出的輸入信號經(jīng)緩沖、放大后送入∑-△調(diào)制器?！?△調(diào)制器對輸入信號以遠大于Nyquist率的速度進行“過采樣”，并將各樣本轉(zhuǎn)化為1bit分辨率的高速碼流。同時對量化噪聲頻譜化“成形”處理，從而使大部分中量化噪聲轉(zhuǎn)移至基帶以外。接下來，由數(shù)字抽取濾波器濾除帶外噪聲，再從高速碼流中抽取出低速、高分辨率的碼流。上述各部分電路受控于一個內(nèi)部控制邏輯。控制邏輯通過串行接口接收用戶控制命令并設(shè)置各部分電路的工作狀態(tài)及參數(shù)，最后將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過串口送出。

2 編程要點

MAX1400內(nèi)部各部分電路的工作狀態(tài)由一組內(nèi)部寄存器控制。這些內(nèi)部寄存器包括8個可單獨尋址的寄存器。其中，通信寄存器主要控制對內(nèi)部寄存器的訪問（尋址、讀/寫模式選擇）；兩個全局設(shè)置寄存器主要用來選擇模擬輸入通道、設(shè)置∑-△調(diào)制頻率、數(shù)字抽取濾波器抽取因子、數(shù)字濾波器頻率響應(yīng)和其它工作狀態(tài)；特殊功能寄存器用于控制整個器件的關(guān)瘍；三個傳輸函數(shù)寄存器分別用來設(shè)置對應(yīng)于三個模擬輸入通道的PGA增益和DAC偏移量；一個24bit的數(shù)據(jù)寄存器用于保存轉(zhuǎn)換結(jié)果。一般情況下，每次訪問MAX1400之前都要首先向通信寄存器寫入一個8bit控制碼，以便選定所要訪問的寄存器以及讀/寫操作模式。只有一種情況例外，那就是當MAX1400工作在掃描模式時（全局設(shè)置寄存器中的SCAN位置1），在每次轉(zhuǎn)換完成后可以直接讀取24bit數(shù)據(jù)寄存器，而不必重新設(shè)置愛信寄存器。對于MAX1400的編程大體可分為四個方面：系統(tǒng)工作模式選擇、模擬輸入通道選擇、通道增益和偏移量設(shè)置以及∑-△ADC工作參數(shù)設(shè)置。

系統(tǒng)工作模式選擇通過編程通信寄存器、全局設(shè)置寄存器和特殊功能寄存器中的相位控制位來實現(xiàn)。MAX1400具有自動掃描所有通道和連續(xù)采樣選定通道兩種主要工作方式。另外還具有待機和掉電兩種省電模式。

模擬輸入通道選擇通過編程全局設(shè)置寄存器1和2中的A1、A0、M1、M0和DIFF位來實現(xiàn)。通過這些控制位的編程，可以設(shè)定輸入多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的工作方式（單端或差分），并選定需要采樣的通道。

通道增益和偏移量由傳輸函數(shù)寄存器控制。三個傳輸函數(shù)寄存器分別對應(yīng)于三個模擬輸入通道，每個寄存器內(nèi)均包含有設(shè)定PGA增益和DAC偏移量的代碼。通過增益和偏移量的編程，可以將輸入信號動態(tài)范圍調(diào)整到ADC的量程之內(nèi)，以充分利用ADC的有效測量范圍。

對∑-△ADC工作參數(shù)的編程直接影響到整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度、速率和功耗等關(guān)鍵特性，這是該種類型的ADC所特有的。∑-△ADC主要由三部分組成：時鐘產(chǎn)生電路，∑-△調(diào)制器和數(shù)字抽取濾波器。相應(yīng) 軟件編程也分為三個方面：時鐘頻率選擇，調(diào)制頻率選擇，數(shù)字抽取因子和濾波器選擇。時鐘頻率選擇包括兩個編程位：CLK和X2CLK，CLK用于選擇兩種系統(tǒng)默認的時鐘頻率之一（1.024MHz或2.4578MHz）；X2CLK用于控2分頻器，X2CLK=1時分頻器使能，允許選擇二倍于內(nèi)部時鐘頻率的晶振或外部時鐘。調(diào)制頻率和調(diào)制頻率，對應(yīng)于兩種內(nèi)部時鐘總共有8種調(diào)制頻率可選。調(diào)制頻率越高，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速率越高，但功耗也越大。數(shù)字濾波器抽取因子由FS1、FS0兩閏控制，它們直接影響到轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速率和濾波器的陷波頻點。如圖2所示，數(shù)字抽取濾波器頻率響應(yīng)為梳狀態(tài)濾波器，第一個陷波頻點正好正應(yīng)于數(shù)據(jù)輸出速率，將陷波頻點設(shè)置在工頻位置將有利于抑制工頻及其諧波的干擾。另外還有一個控制位FAST用來設(shè)置濾波器階數(shù)。FAST=1時執(zhí)行一階梳狀濾波（NINC1），F(xiàn)SAT=0時執(zhí)行三階梳狀濾波（NINC3）。該位不影響數(shù)據(jù)輸出速率和濾波器頻響外形（陷波頻點），只影響濾波器滾降速率（頻寬）。當選擇SINC1濾波時系統(tǒng)具有比較高的影應(yīng)速率，在輸入發(fā)生跳變時只需一個轉(zhuǎn)換周期輸出即可達到穩(wěn)定。SINC3濾波響應(yīng)較慢，對于輸入階躍需要三個以上轉(zhuǎn)換周期的輸出建立時間，但具有較高的轉(zhuǎn)換精度。有關(guān)時鐘頻率、調(diào)制器和抽取因子編程與輸出數(shù)據(jù)速率的關(guān)系見表1所列。

表1 數(shù)據(jù)輸出速率與時鐘頻率、調(diào)制器頻率位、濾波器選擇的關(guān)系

圖3所示為MAX1400的編程及轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取程序流程。該流程中MAX1400被設(shè)定為單通道連續(xù)采樣模式。

3 典型應(yīng)用

MAX1400采用SPI/QSPI兼容的三線串行接口，非常節(jié)省CPU的I/O口，也便于采用光電隔離，它的工作電流較低，比較適用于便攜式測量儀表、4～20mA環(huán)路供電的變送器、壓力變送器等領(lǐng)域。圖4所示為MAX1400在壓力變送器中的典型應(yīng)用。該應(yīng)用中采用同一個電源來產(chǎn)生傳感器橋路激勵電流和參考電壓，這樣在電源電壓發(fā)生變動時它們所受到的影響能相互抵消，因此降低了對電壓穩(wěn)定度的要求，可以用同一個電源為MAX1400供電，同時產(chǎn)生橋路激勵電流和參考電壓。