高精度單片數據采集系統MAX1400的原理及應用

摘要：MAX1400是美國MAXIM公司推出的一種基于∑-△A/D轉換技術的高精度單征數據采集系統芯片。文中介紹了它的工作原理、內部結構及編程要點，并給出了MAX1400應用在壓力變送器中的一種典型應用電路。

關鍵詞：數據采集系統 A/D轉換 ∑-△A/DC MAX1400

傳統的數據采集系統大多采用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），這些傳統的A/D轉換技術將面監(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，因而實現起來困難較大，成本很高。新型的∑-△A/D轉換技術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字音響產品，因而首先在音頻領域得到了廣泛應用。大多數數據采集系統對轉換速率的要求低于音頻，但精度要求較高，也很適合采用∑-△結構的ADC。為此，很多模擬器件制造商開發(fā)了專用于數據采集領域的∑-△ADC，并將數據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，整個數據采集系統只需單片IC即可實現，可以直接處理傳感器輸出的微弱信號，而且在簡化設計的同時提高了系統性能并降低了成本。這類產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的性能特點及應用要點。

1 內部結構

圖1所示為MAX1400系列及其它同類產品普遍采用的結構。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轉換水平的程控增益放大器（PGA）。

除此之外，MAX1400內部還提供了一個小電流源，在進行系統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。

居于核心位置的∑-△ADC由一個二階∑-△調制器和數字抽取濾波器組成，時鐘產生及分頻電路用于為ADC提供操作時鐘。由多路開關選出的輸入信號經緩沖、放大后送入∑-△調制器。∑-△調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移至基帶以外。接下來，由數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置各部分電路的工作狀態(tài)及參數，最后將轉換結果通過串口送出。

2 編程要點

MAX1400內部各部分電路的工作狀態(tài)由一組內部寄存器控制。這些內部寄存器包括8個可單獨尋址的寄存器。其中，通信寄存器主要控制對內部寄存器的訪問（尋址、讀/寫模式選擇）；兩個全局設置寄存器主要用來選擇模擬輸入通道、設置∑-△調制頻率、數字抽取濾波器抽取因子、數字濾波器頻率響應和其它工作狀態(tài)；特殊功能寄存器用于控制整個器件的關瘍；三個傳輸函數寄存器分別用來設置對應于三個模擬輸入通道的PGA增益和DAC偏移量；一個24bit的數據寄存器用于保存轉換結果。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（全局設置寄存器中的SCAN位置1），在每次轉換完成后可以直接讀取24bit數據寄存器，而不必重新設置愛信寄存器。對于MAX1400的編程大體可分為四個方面：系統工作模式選擇、模擬輸入通道選擇、通道增益和偏移量設置以及∑-△ADC工作參數設置。

系統工作模式選擇通過編程通信寄存器、全局設置寄存器和特殊功能寄存器中的相位控制位來實現。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置寄存器1和2中的A1、A0、M1、M0和DIFF位來實現。通過這些控制位的編程，可以設定輸入多路轉換開關的工作方式（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寄存器控制。三個傳輸函數寄存器分別對應于三個模擬輸入通道，每個寄存器內均包含有設定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)范圍調整到ADC的量程之內，以充分利用ADC的有效測量范圍。

對∑-△ADC工作參數的編程直接影響到整個數據采集系統的精度、速率和功耗等關鍵特性，這是該種類型的ADC所特有的。∑-△ADC主要由三部分組成：時鐘產生電路，∑-△調制器和數字抽取濾波器。相應 軟件編程也分為三個方面：時鐘頻率選擇，調制頻率選擇，數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，允許選擇二倍于內部時鐘頻率的晶振或外部時鐘。調制頻率和調制頻率，對應于兩種內部時鐘總共有8種調制頻率可選。調制頻率越高，相應的轉換精度和轉換速率越高，但功耗也越大。數字濾波器抽取因子由FS1、FS0兩閏控制，它們直接影響到轉換精度、轉換速率和濾波器的陷波頻點。如圖2所示，數字抽取濾波器頻率響應為梳狀態(tài)濾波器，第一個陷波頻點正好正應于數據輸出速率，將陷波頻點設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用來設置濾波器階數。FAST=1時執(zhí)行一階梳狀濾波（NINC1），FSAT=0時執(zhí)行三階梳狀濾波（NINC3）。該位不影響數據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濾波時系統具有比較高的影應速率，在輸入發(fā)生跳變時只需一個轉換周期輸出即可達到穩(wěn)定。SINC3濾波響應較慢，對于輸入階躍需要三個以上轉換周期的輸出建立時間，但具有較高的轉換精度。有關時鐘頻率、調制器和抽取因子編程與輸出數據速率的關系見表1所列。

表1 數據輸出速率與時鐘頻率、調制器頻率位、濾波器選擇的關系

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

3 典型應用

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、壓力變送器等領域。圖4所示為MAX1400在壓力變送器中的典型應用。該應用中采用同一個電源來產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，同時產生橋路激勵電流和參考電壓。