8通道24位△-∑型A／D轉(zhuǎn)換器ADS1216的原理及應(yīng)用

ADS1216采用4線制(時(shí)鐘信號(hào)SCLK、數(shù)據(jù)輸入DIN、數(shù)據(jù)輸小DOUT和片選CS)SPI通信方式，由于ADS1216無法控制SPT何時(shí)開始傳輸，而是由主機(jī)數(shù)據(jù)控制，因此ADS1216只能工作存SPI通信的從模式下，設(shè)計(jì)時(shí)可通過各種主控制器控制ADS1216片上的寄存器，并通過SPI接口讀寫這些寄存器。通過SPI接口進(jìn)行通訊時(shí)，必須保持信號(hào)為低電平，引腳用于表明轉(zhuǎn)換是否完成，為低時(shí)，說明轉(zhuǎn)換已完成，可以直接通過通道讀取數(shù)據(jù)，通道讀數(shù)據(jù)命令從DOUT引腳上讀出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。SPI通信，可同步發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)也可利用SCLK和DIN，DOUT信號(hào)同步移動(dòng)。根據(jù)POL的不同，在SCLK的上升沿或者下降沿，系統(tǒng)通過DIN向ADS1216發(fā)送數(shù)據(jù)。同樣，系統(tǒng)通過DOUT從ADS1216讀取數(shù)據(jù)。DIN和DOUT也通過一條雙向信號(hào)線與主控制器相連。圖2給出了SPI的通訊時(shí)序圖。

2．2 主要寄存器
ADS1216工作過程的建立主要通過設(shè)置其寄存器求實(shí)現(xiàn)的。這些寄存器包括出廠時(shí)所有需要設(shè)置的信息，如采樣模式、外部信號(hào)調(diào)理通道開關(guān)、時(shí)鐘模式的選擇、模擬輸入是單級(jí)輸入還是差分輸入等等。表1給出了ADS1216的寄存器。

下面介紹幾個(gè)主要寄存器的功能和使用。
建立寄存器(SETUP)只有低五位可用，高三位已被廠家使用，該寄存器主要用于設(shè)置調(diào)節(jié)器的時(shí)鐘速度、內(nèi)部參考電壓選擇，以及數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)位輸出次序。SETUP．4(SPEED)=0，fMOD=fosc／128；SETUP．3(REF EN)=0，fMOD=fosc／256。使用內(nèi)部參考電壓，SETUP3=1。選擇外部參考電壓SETUP．2(REF HI)=0，內(nèi)部參考電壓1．25V；SETUP．2=1，內(nèi)部參考電壓為2．5V。SETUP．1(BUFEN)=0，不使用緩沖器；SETU P．1=1，使用內(nèi)部緩沖器。SETUP．0 (BIT ORDER)=0，數(shù)據(jù)緩沖器高位先輸出，SETUP．0=1，低位先輸出。
多路選擇控制寄存器(MUX)，該寄存器分為兩部分，高四位選擇正相差分輸入，低四位選擇反相差分輸入，當(dāng)高四位或低四位的最高位為1且其它位不全為1時(shí)(高四位的最高位和低四位的最高位不能同時(shí)為1)，就可以實(shí)現(xiàn)八通道為差分輸入，當(dāng)高四位和低四位全為1時(shí)，選擇ADS 1216內(nèi)部的溫度傳感器為轉(zhuǎn)換信號(hào)。
通過模擬控制寄存器(ACR)的低三位(ACR2、ACR1、ACR0)設(shè)置PGA的放大倍數(shù)，三位可以提供8個(gè)放大倍數(shù)，增益步長為2n(n來自ACR)。
通過模式／采樣頻率寄存器(M／DEC1)的第四、五位(SMODE0、SMODE1)設(shè)置數(shù)字濾波器。
SMODE1：SMODE0=00，使用自動(dòng)濾波模式；
SMODE1：SMODE0=01，使用快速濾波模式；
SMODE1：SMODE0=10，使用Sinc2濾波模式；
SMODE1：SMODE0=11，使用Sinc3濾波模式。不同的濾波模式在很大程度上影響AD轉(zhuǎn)換精度。
24位AD轉(zhuǎn)換結(jié)果分為3個(gè)字節(jié)由高到低依次通過SPI接口輸出。

3 ADS1216的應(yīng)用
3．1 ADS1216的硬件設(shè)計(jì)
圖3為ADS1216的信號(hào)差分輸入的典型應(yīng)用電路圖。該電路為一路差分輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將外部輸入的兩路模擬信號(hào)通過多路模擬開關(guān)，傳輸?shù)酵獠抗灿玫男盘?hào)調(diào)理通道，通過信號(hào)調(diào)理通道的調(diào)節(jié)作用，傳輸給24位△-∑型A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過專門優(yōu)化的3階正弦數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波，最后才通過SPI接口傳輸給單片機(jī)進(jìn)行處理。在典型應(yīng)用電路圖中，AIN+和AIN-為差分信號(hào)輸入接口，DIN、DOUT、CLK、nCS為與單片機(jī)相連的SPI接口，nDRDY為A／D轉(zhuǎn)換完成的標(biāo)志位。(單片機(jī)電路略)

3．2 ADS1216的應(yīng)用程序
雖然ADS1216具有非常強(qiáng)大的功能，但是應(yīng)用非常容易。ADS1216的片選可以通過硬件使腳接地，也可以通過軟件選通。同理，ADS12 16的復(fù)位也有兩種方式，腳接地或者軟件復(fù)位。通過ADS1216的自校準(zhǔn)命令，可以糾正內(nèi)部和外部的漂移和增益錯(cuò)誤。通過寫寄存器命令可以初始化狀態(tài)寄存器SETUP，選擇時(shí)鐘的速度、是否開啟輸入緩沖器和輸出字節(jié)的順序等。同理可以初始化模擬多路開關(guān)MUX，選擇模擬輸入通道，還可以初始化模擬控制寄存器ACR，選擇可編程增益放大倍數(shù)，最后還可以初始化模式／采樣頻率寄存器M／DEC1，選擇數(shù)字濾波模式。具體的選擇請(qǐng)參考寄存器狀態(tài)圖。
ADS1216的參考應(yīng)用程序如下所示：



4 結(jié)束語
通過作者的實(shí)驗(yàn)，在使用ADS1216時(shí)，應(yīng)注意一下幾點(diǎn)：
(1)在ADS1216片外要將模擬地ACND和數(shù)字地DCDN連接在一起，若ACND和DGND之間有電壓存在，將造成ADS1216無法正常工作。
(2)在印制電路板布線時(shí)，應(yīng)將外部晶振盡可能地靠近ADS1216，否則將影響輸入的幅值大小，當(dāng)幅值太小時(shí)，可能通過減小接入晶振兩端的電容來增大器幅值，其范圍應(yīng)在0～20pF，典型晶振為4．9152M，接入電容為18pF。
(3)為了得到最佳的轉(zhuǎn)換結(jié)果，每次改變初始寄存器值時(shí)，例如改變輸入通道，最好自校準(zhǔn)一次。
(4)在使用SPI通訊時(shí)必須注意單片機(jī)和ADS1216的SCLK極性，通過POL引腳的設(shè)置使主控制器和ADS1216的SCLK極性一致。
(5)為了得到穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換結(jié)果，可通過軟件