高精度串行模数转换器MAX1032的应用

1 概述

MAX1032是Maxim公司最新推出的一种多通道、多量程、低功耗、分辨率为14位的串行输出模数转换器。该器件具有转换速率高、功耗低、接口方便等优点，特别适合在航空电子、数据采集、工业控制、多媒体、机器人等领域的应用。

2  MAX1032的特性和结构

2.1  MAX1032的特性

(1)输入通道：八个单端或四个差分模拟输入；

(2)输入范围：由软件编程确定（每通道独立）, 单端输入范围为0V到+6V、 -6V到0V、 0V到+12V、-12V到0V、 ±3V、±6V及± 12V,；差分输入范围为±6V、±12V及±24V ；

(3)接口特性：数据和信号接口电平与SPITM/QSPITM/MICROWIRETM兼容，可以和供电电压为2.7V至5.25V的计算机系统直接连接；

(4)采样速率: 115ksps；

(5)基准电压：可采用内部基准，也可采用外部基准，基准电压范围3.800V～4.136V。

2.2    MAX1032的结构

MAX1032内置14位逐次逼近寄存器和输入跟踪/保持电路，实现将模拟信号转换成14位数字信号，数据输出方式为串行。其内部结构和引脚排列分别如图1、图2所示。

（1）CH0-CH7：模拟信号输入端。

（2）CS：片选输入，低电平有效。只有置低时，数据才可同步输入（DIN）或输出（DOUT）。

（3）DIN：串行数据输入。在CS为低时，DIN上的数据在SCLK的上升沿时刻输入片内。

（4）SSTRB：串行触发输出。在内部时钟模式下，SSTRB的上升沿跳变表明转换完成；在外部时钟模式下，SSTRB一直为低电平。

（5）SCLK：串行时钟输入。

（6）DOUT：串行数据输出。在CS为低时，DOUT上的数据在SCLK的下降沿时刻输出；CS置高时，DOUT为高阻状态。

（7）REF：内部基准电压输出或外部基准电压输入。在外部参考电压模式下，REF端可连接由外部电路提供的3.800V-4.0136V的基准电压；在内部参考电压模式下，REF端与AGND1端之间必须连接容量为1uF的滤波电容。

 
  图1 图1 MAX1032的内部结构                     图2  MAX1032的引脚

3 工作原理

在进行A/D转换之前，要确认被转换的模拟信号是否满足模数转换器只有17KΩ输入阻抗的要求，然后向MAX1032依次送入信号输入控制字和工作模式控制字。

3．1 信号输入控制字

信号输入控制字用来选择被转换的模拟通道、转换方式和转换范围，其格式如表1所示。

表1 信号输入控制字

3.2 工作模式控制字

MAX1032有外部时钟、外部采样、内部时钟等三种工作模式，通过表2所示的工作模式控制字进行选择。

（1）    外部时钟模式。在此模式下能达到最快的转换速率。SCLK控制模拟信号的采集及转换，这样在模拟信号的获取时，更加便于精度的控制。

（2）    外部采样模式。在此模式下以最慢的转换速率达到最大限度的吞吐量。其主要特点是由SCLK控制模拟信号的采集、内部时钟控制模拟信号的转换。在前15个时钟周期内CS必须保持低电平，然后发生跳变并保持高电平。为了得到最佳的转换效果，应将DIN和SCLK置空闲位。

（3）    内部时钟模式。在此模式下，内部时钟控制模拟信号的采集和转换，内部时钟在SCLK的第8个周期的下降沿后的100ns-400ns时间内启动转换，其速率大约为4.5MHz。转换结束后,SSTRB置位高电平、CS置位低电平导出转换结果。

表2  工作模式控制字

4    应用举例

本文以MAX1032在DS87C520中的应用为例，介绍MAX1032与CPU的接口方法与软件设
计。
   
DS87C520介绍

达拉斯公司生产的DS87C520是一种新型高速全静态CMOS单片机，其引脚和指令集与8051单片机完全兼容。DS87C520的处理器核心经过重新设计，一个机器周期只占4个时钟周期。实际应用表明，若时钟频率相同，DS87C520执行相同指令的速度是8051的1.5到3倍，加上DS87C520最高时钟频率为33MHz,而8051仅为12MHz，因此DS87C520为一款高速单片机，可以满足高速数据传输过程中的速率要求。此外，DS87C520还有两个全双工串行口、13个中断源、16KB片内 EPROM、1KB片内SRAM、双数据指针、电源电压下降自动复位、可编程看门狗定时器等丰富的硬件功能，使其具有了广阔的应用领域与前景。
   
MAX1032与DS87C520的连接

图3是MAX1032与DS87C520的应用连接。在本例中，我们采取的是内部时钟模式，工作模式控制字为10101000B。为了提高计算机系统的抗干扰能力，在MAX1032与DS87C520之间增加了高速光电耦合器6N136，以隔离现场干扰对计算机的影响。对MAX1032的控制是通过DS87C520的P1口进行的。其中,SSTRB反映了A／D转换的工作状态，可以用查询方式或中断方式监测该信号，以便及时读取正确的转换结果。

程序采用C51语言编写，并在KEILC51 V6．20环境下通过了调试。程序的编写思路是：定义DS87C520的P1.0为MAX1032的片选信号CS，P1.1为数据输入DIN,P1.2为数据输出DOUT，ALE提供MAX1032的时钟信号SCLK。在确定并送入信号输入控制字和工作模式控制字后,A/D转换被启动，经过一段时间的延时（A/D转换），SSTRB端发生上升沿跳变，表明A/D转换结束。在时钟SCLK的作用下，从数据输出端DOUT读出两个字节长度的转换结果。将读出的数据存入两个无符号字符变量中，将这2个字符变量拼成一个16位无符号整型变量作用函数返回值返回，返回值的低14位有效。

图3 MAX1032与DS87C520的连接

4．3 软件设计
   
按照图3连接的系统，完整的A/D转换子程序如下：
// 采用P1口作控制
sbit  DOUT = P1^2 ;      // 数据输出
sbit   CS  = P1^0 ;      // MAX1032片选
＃define uint unsigned int
＃define uchar unsigned char
//MAX1032 14位A/D操作程序
uint max1032(void)
{    uchar i;
uchar hbyte,lbyte;
cs=0;                        //低电平有效，开始转换
for(i=0;i<8;i++)             //延时，等待转换结束
   {
     _nop_();
   }
SCLK=1;
SCLK=0;
//开始读数据
hbyte=0;
for(i=0;i<6;i++)           //高6位
   {
DOUT=1;
SCLK=1;
if (DOUT)
  { hbyte=Ox01; }
SCLK=0;
if (i!=5)
  { hbyte<<=1; }
}
   lbyte=0;
for(i=0;i<8;i++)           //低8位
   {
DOUT=1;
SCLK=1;
if (DOUT)
  { lbyte=Ox01; }
SCLK=0;
if (i!=7)
  { lbyte<<=1;}
}
}

5  结论

Maxim公司的高性能A/D系列的产品已在多种场合得到了广泛的应用，如高精度数据采集系统、工业过程控制、便携式数字仪表、医疗仪器等。本文介绍了Maxim最新推出的14位多通道串行ADC MAX1032的性能和特点，给出了典型的应用实例及程序，读者可将其灵活运用于自己的系统设计中。
   
本文作者创新点：作者在介绍最新模数转换器件的基础上，依据长期的科研和教学实践经验，提出了模数转换器件与CPU连接时的抗干扰设计。由于串行输出的模数转换器引脚少，与CPU的连接简单，因此这种设计方法具有普遍的指导意义。