高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1211芯片的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和應(yīng)用分析

1 ADS1211的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

ADS1211是美國(guó)Burr-Brown公司生產(chǎn)的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）芯片，它采用24腳雙列直插式封裝形式，圖1是ADS1211的引腳排列，各引腳的功能如表1所列。

表1 ADS1211的引腳功能

ADS1211是具有高精度寬動(dòng)態(tài)范圍的A/D轉(zhuǎn)換芯片，它帶有自校正∑-ΔA/D轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部由可編程增益放大器、二階∑-Δ調(diào)制器、調(diào)制控制單元、可編程數(shù)字濾波器和微處理器組成，其中微處理器含有指令寄存器、命令寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、校正寄存器、串行接口、時(shí)鐘產(chǎn)生電路、+2.5V基準(zhǔn)源、+3.3V參考電壓源以4通道差動(dòng)輸入模擬開關(guān)等。圖2是ADS1211的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。當(dāng)ADS1211再次上電復(fù)位時(shí)，首先由微處理器將內(nèi)部所有的寄存器復(fù)位成缺省狀態(tài)，并將調(diào)制器復(fù)位成穩(wěn)定狀態(tài)，再以850Hz的頻率進(jìn)行自校準(zhǔn)，然后時(shí)入轉(zhuǎn)換狀態(tài)（即正常操作模式）。ADS1211的主要特點(diǎn)如下：

●采用∑-ΔA/D轉(zhuǎn)換方式;

●具有24位無(wú)誤碼率，其線性誤差小于0.0015%;

●在10Hz時(shí)，可獲得23位有效分辨率，在1000Hz時(shí)，可達(dá)到20位的有效分辨能力;

●采用4通道差動(dòng)輸入;

●內(nèi)含可編程增益放大器，放大倍數(shù)可在1，2，4，8，16中選取;

●帶有內(nèi)部/外部基準(zhǔn)源;

●芯片內(nèi)有半自動(dòng)校準(zhǔn)功能;

●與SPI兼容，并可提供雙線控制模式。

2 ADS1211的重要寄存器設(shè)置

2.1 指令寄存器（2N5R）

ADS1211中的指令寄存器格式及其設(shè)置說明如圖3所示。

2.2 命令寄存器（CMR）

圖4是ADS1211中的命令寄存器格式。其各位的含義和設(shè)置如下：

BIAS：偏置電壓輸出開/關(guān)位。BIAS為“0”時(shí)為關(guān)狀態(tài);為“1”時(shí)為開狀態(tài);

REF0：基準(zhǔn)電壓輸出開/關(guān)位。為“0”時(shí)為關(guān)狀態(tài);為“1”時(shí)為開狀態(tài);

DF：數(shù)據(jù)輸出格式位。“0”為二進(jìn)制補(bǔ)碼;“1”為偏移二進(jìn)制碼;

V/B：數(shù)據(jù)極性位?！?”為雙極性;“1”為單極性;

BD：字節(jié)順序位為“0”時(shí)表示先讀最高字節(jié);為“1”表示先讀最低字節(jié);

MSB：位順序控制位。“0”表示先讀最高位;“1”表示先讀最低位;

SDL：數(shù)據(jù)輸出引腳選擇位。為“0”時(shí)，選擇SDL為輸出;為“1”時(shí)，選擇Sdout為輸出;

DRDY：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒位。“0”為準(zhǔn)備好;“1”為未準(zhǔn)備好;

G2～G0：增益選擇控制位。

MD2～MD0：操作模式位，其操作方式的選擇如表2所列。

表2 ADS1211的操作模式選擇 ［table］［/table］

CH1～CH0：通道選擇位，該兩位組合為00、01、10、11可分別用來(lái)選擇1通道到通道4。

SF2～SF0：加速因子選擇位，從000～100的五種組合分別表示選擇1、2、4、8和16。

DR12～DR0：抽取率選擇位，其有效范圍為20～8000。ADS1211的轉(zhuǎn)換速率和加速因子的關(guān)系如下：

轉(zhuǎn)換速率fDATA=fxin·TMR512抽取率

式中：fxin指的是從Xm引腳引入的時(shí)鐘信號(hào)的頻率;TMR則是指加速因子的值;

應(yīng)當(dāng)注意的是：增益和加速因子的乘積應(yīng)不大于16。

2.3 輸出數(shù)據(jù)寄存器（DOR）

輸出數(shù)據(jù)寄存器DOR是一個(gè)24位寄存器，可用來(lái)存放最新的轉(zhuǎn)換結(jié)果，DOR內(nèi)容剛好在DRDY信號(hào)由高變低前被更新，如果在（1/fDATA-12×1/fxin）所定義的時(shí)間間隔內(nèi)設(shè)有讀取DOR的內(nèi)容，則原有的內(nèi)容將被覆蓋。

另外，OCR和FCR寄存器還可用于存放零點(diǎn)校正和滿量程校正參數(shù)值。

3 ADS1211與89C52的接口電路

圖5是在測(cè)量三相電壓和電流時(shí)的ADS1211與89C52單片機(jī)的實(shí)際硬件接口電路，筆者采取從動(dòng)方式，并采用四線制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)ADS1211與單片機(jī)的接口，即將DRDY、SCLK、SDIO、SDOUT四條接口信號(hào)線分別接至89C52單片機(jī)的P1.1、P1.2、P1.3、P1.4引腳。

4 串行接口讀/寫時(shí)序

圖6是ADS1211在從動(dòng)方式下將片選端固定接地時(shí)與單片機(jī)進(jìn)行接口的軟件讀/寫時(shí)序。

5 軟件流程圖

根據(jù)圖5所示的ADS1211與單片機(jī)的接口電路給出的程序流程圖如圖7所示。

如果將電路設(shè)置為從動(dòng)方式，那么增益GAIN應(yīng)選為1，加速因子TMR為1，fXIN選擇10MHz，抽取率（DR）為1952（即0011110100000），fDATA為10MHz并選擇單極性輸入和半自動(dòng)校準(zhǔn)方式，同時(shí)選擇通道輸入1，那么，具體的測(cè)量程序和讀寫延時(shí)子程序如下：

測(cè)量主程序：

SDIO EQV P1.3

SCLK EQV P1.2

DRDY EQV P1.1

SDOUT EQV P1.4

ORG 0000H

CLR EA

CLR SCLK

LCALL TIME ;延時(shí)子程序

JB DRDY，$

NOP

NOP

MOV A，#64H

LCALL WRBYTE;WRITE-INSR

NOP

NOP

MOV A，#52H

LCALL WRBYTE;

MOV A，#20H

LCALL WRBYTE;

MOV A，#70H

LCALL WRGYTE;

MOV A，#0AON

LCALL WRBYTE;WRITE-CMR

SETB DRDY

JB DYDY，$

NOP

NOP

MOV A，#0AON

LCALL WRTYTE;WRITE-INSR

NOP

NOP

LCALL RDBYTE

MOV 22H，A;

LCALL RDBYTE

MOV 21H，A;

LCALL RDBYTE

MOV 20H，A;READ-DOR

SETB DRDY

。

。

。

讀數(shù)據(jù)子程序;

RDBYTE：MOV R7，#8

RDBYTE1：SETB SCLK

MOV C，SDOUT

CLR SCLK

RLC A

DJNZ R7，RDBYTE1

RET

寫數(shù)據(jù)子程序：

WRBYTE：MOV R7，#8

WRBYTE1：RLC A

SETB SCLK

MOV SDIO，C

CLK SCLK

DJZN R7，WRBYTE1

RET

延時(shí)子程序：

TIME：MOV R6，#10

TIME1：MOV R7，#OFFH

DJNZ R7，$

DJNZ R6，TIME1

RET

6 注意事項(xiàng)

利用該方法設(shè)計(jì)接口電路時(shí)，應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：

（1）地線要盡量短而粗，數(shù)字地和模擬地要分開布線，并要在一點(diǎn)匯合，模擬地可布置在ADS1211芯片的下面，但數(shù)字信號(hào)應(yīng)避免布在AD78715芯片的下面， 時(shí)鐘信號(hào)要用數(shù)字地屏蔽，輸入的模擬信號(hào)要用模擬地屏蔽。

（2）模擬電源AVDD和數(shù)字電源DVDD最好分開用，最好使用精密基準(zhǔn)電源，因?yàn)榫芷錅?zhǔn)電源可以提高測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定度。

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