12位串行A/D转换器的原理及应用开发

1 引言
    MAXl224/MAXl225系列12位模/数转换器(ADC)具有低功耗、高速、串行输出等特点，其采样速率最高可达1．5Ms/s，在+2．7V至+3．6V的单电源下工作，需要1个外部基准源；可进行真差分输入，较单端输入可提供更好的噪声抑制、失真改善及更宽的动态范围；同时，具有标准SPITM/QSPITM/MI-CROWWIRETM接口提供转换所需的时钟信号，可以方便地与标准数字信号处理器(DSP)的同步串行接口连接。
    
    MAX1224允许单极性模拟输入，MAX1225允许双极性模拟输入。该系列转换器可运行于局部关断模式和完全关断模式，能够将2次转换之间的电源电流分别降低至1mA(典型值)和1μA(最大值)；具有1个独立的电源输入，可直接与+1．8V到VDD的数字逻辑接口。此外，该系列还具有转换速度高、交流性能好和直流准确度高等特性。

    MAX1224/MAX1225的主要特点如下：
    ●1．5Ms/s采样速率；
    ●功耗仅18mW(典型值)；
    ●关断电流仅1μA(最大值)；
    ●高速、SPI兼容、3线串行接口；
    ●525kHz输入频率下69dB的S/(N+D)；
    ●内部真差分采样，保持(T/H)；
    ●外部基准源；
    ●无流水线延迟。

2 封装及引脚功能
    MAXl224/MAXl225采用小巧的12引脚TQFN封装，其引脚排列如图1所示。各个引脚的功能如表l所示。

3 内部结构及工作原理
    MAX1224/MAX1225采用输入采样，保持和逐次逼近寄存器(SAR)电路，将模拟输入信号转换为12位数字输出信号。串行接口仅需要3条连接线(SCLK、CNVST和DOUT)，提供了与微处理器(μP)和DSP的便利连接。图2给出简化的MAX1224/MAX1225内部结构。

3．1真差分模拟输入采样/保持器
    MAXl224/MAXl225的输入结构由采样/保持器、比较器及开关型数，模转换器(DAC)构成。在上次转换的第14个SCLK上升沿，采样，保持器进入其采样模式。一旦上电，采样/保持器就立即进入其采样模式。输入电容器正极连接至AIN+，输入电容器负极与AIN-相连。在CNVST的下降沿采样/保持器进入保持状态，转换正负输入之间采样的差值。采样／保持器采集输入信号所需的时间取决于其输入电容器的充电速度。如果输入信号源的阻抗较高，那么采样时间会延长。

3．2输入带宽
    ADC的输入采样电路具有15MHz的小信号带宽，使其能够数字化高速瞬变信号，以及通过使用欠采样技术测量带宽超过ADC采样速率的周期信号。为了避免高频干扰信号进入有用的频段，建议采用抗混叠滤波器。

3．3上电初始化与启动转换
    在初始上电后，MAX1224/MAX1225要求1个完整的转换周期，以初始化内部校准电路。完成初始化转换之后，准备好正常工作。仅在硬件上电后，需要进行初始化，而在退出局部关断模式或者完全关断模式之后并不需要。CNVST拉低将启动1次转换。在CNVST信号的下降沿，采样/保持器进入其保持模式，启动转换过程。SCLK提供转换时钟，数据随后从DOUT串行移出。

3．4时序与控制
    启动转换和读数据操作由CNVST和SCLK端的数字输入信号控制。图3示出时序关系，描述串行接口的工作方式。

    CNVST的下降沿启动1次转换时序：采样，保持器保持输入电平，ADC开始转换，DOUT从高阻态变为逻辑低电平。SCLK用于驱动转换进程，并串行输出每个转换完成的数据位。

    在第4个SCLK上升沿之后，SCLK开始移出数据。在每个SCLK上升沿的tDOUT之后，DOUT输出才有效，并且在下1个上升沿之后，还将保持4ns(tp-HOLD)的有效时间。第4个时钟上升沿在DOUT引脚输出转换结果的MSB位，并且MSB在第5个上升沿之后保持4ns的有效时间。由于共有12个数据位和3个引导零位，所以至少需要16个时钟上升沿移出所有位。为了连续工作，需要在第14个和第16个SCLK上升沿之间将CNVST拉高。如果CNVST信号在第16个SCLK周期的下降沿保持低电平，DOUT端会在CNVST的上升沿或者下1个SCLK上升沿变为高阻态。

3．5局部关断模式和完全关断模式
    将MAX1224/MAX1225设置为局部关断模式或者完全关断模式，会显著降低器件的功耗。局部关断模式尤其适合于数据采样次数少且要求快速唤醒的应用。完全关断模式适合于数据采样次数少和要求极低电源电流的应用。在局部，完全关断模式下，应保持SCIK信号逻辑低电平或者逻辑高电平，以尽可能降低功耗。

4 典型应用电路
4．1 设计原理
    在测控系统中经常要用到A/D转换器。当被检测的模拟量是温度和压力等低速采样而需要控制的引脚又比较多时，采用并行ADC并不是最适合、最经济的方案。由于单片机往往要控制比较多的I/O口，因此使用并行ADC会限制系统I/O口功能的扩展，这时采用串行ADC比较适合。另外，由于是便携式测量仪器，所以要求功耗较低；为了减少硬件设计，多路采集信号都经过同一个ADC进行信号转换。

    根据以上要求，笔者在温度显示仪的设计中以AT89C51型单片机为核心，采用MAX1224型12位串行A/D转换器构成采样模块进行电路设计。温度显示仪的主要功能是完成实时温度循环显示功能，它主要用于工业现场中的加热炉及具有较高温度的场合，它的测温范围是O℃～1200℃，误差要求小于±5℃。所设计的温度显示仪要求具有4路温度检测通道，由热电偶采集现场温度，并由冷端补偿电路进行补偿，再由前置放大电路将检测到的微小信号转变为ADC可转换的信号。温度显示仪系统原理如图4所示。

4．2 实用电路
    设计要求4路温度检测通道和l路冷端补偿电路，所以本设计采用MCP6S26型6通道增益可编程放大器，该放大器特别适用于多路信号采集电路的设计，由于AT89C51单片机可以通过软件对模拟信号电路进行控制，所以其适应性和灵活性大大提高。但是，由于AT89C51型单片机没有3线制串行总线接口，它与MCP6S26进行3线制串行总线的连接时，要使用软件来模拟3线制串行总线的操作，包括串行时钟数据输入和数据输出。McP6S26与AT89C51的连接如图5所示。图中，P17模拟片选 端CS，P14模拟时钟输入端SCK，P16模拟数据输入端SI，P15模拟数据输出端SO。

    MAX1224与AT89C51型单片机的接口电路如图5所示。MAX1224的DOUT与单片机的P10脚相连，MAX1224的转换启动端CNVST与单片机的P11脚相连．串行时钟输入SCLK端可由P12脚依次发出高低电平来构成。转换过程如下：模/数转换由CNVST信号启动，由SCLK信号提供时钟，而转换结果由SCLK信号从DOUT引脚串行输出。当SCLK信号处于空闲的低电平或者高电平，CNVST信号的下降沿启动1次转换，这使模拟输入级由采样模式转换为保持模式，DOUT引脚由高阻态变为低电平。完成1次正常的转换需要16个SCLK周期，如果CNVST信号在第16个SCLK信号下降沿期间保持低电平，DOUT引脚会在下1个CNVST或者SCLK的上升沿返回至高阻态，以使多个器件共享该串行接口。如果CNVST信号在第14个SCLK上升沿之后并在第16个上升沿之前拉为高电平，DOUT引脚保持有效，以便进行连续的转换，当器件执行连续转换时，可具有最高的数据吞吐率。

5 结束语
    在温度显示仪硬件系统的设计中，应用MAX1224/MAX1225完全能够适应对数据采样频率要求不是特别高的应用场合，并且使用方便。由于MAXl224/MAXl225的外部接口电路简单，其串行接口也易于与单片机连接，而且占用单片机口线少，所以设计和调试都非常容易。由此可以看出，该系列器件性能优良、功耗低、精度高、可靠性好、接口简便，实用价值高。