高精度数模转换器AD420及其与MSP430的接口技术

1 概述
    AD420是ADI公司生产的高精度、低功耗全数字电流环输出转换器。AD420的输出信号可以是电流信号，也可以是电压信号。其中电流信号的输出范围为4mA~20mA，0mA~20mA或0mA~24mA，具体可通过引脚RANGE SELECTl，RANGE SELECT2进行配置。当需要输出电压信号时，它也能从一个隔离引脚提供电压输出，这时需外接一个缓冲放大器，可输出0V～5V，0V~10V，±5V或±10V电压。
    AD420具有灵活的串行数字接口(最大速率可达3.3 Mb/s)，使用方便、性价比高、抑制干扰能力强，非常适合用于高精度远程控制系统。AD420与单片机的接口方式有2种：3线制和异步制。单片机系统通过AD420可实现连续的模拟量输出。其主要特点如下：
    宽泛的电源电压范围为12 V~32 V，输出电压范围为0V~-2.5 V；
    带有3线模式的SPI或Microwire接口，可采集连续的模拟输入信号，采用异步模式时仅需少量的信号线；
    数据输出引脚可将多个AD420器件连接成菊链型；
    上电初始化时，其输出最小值为0 mA，4 mA或O V；
    具有异步清零引脚，可将输出复位至最小值(0mA、4 mA或0V)；
    BOOST引脚可连接一个外部晶体管来吸收回路电流，降低功耗；
    只需外接少量的外部器件，就能达到较高的精度。
    AD420采用24引脚SOIC和PDIP封装，表1是其引脚功能说明。

2 工作原理
    在AD420中，二阶调节器用于保持最小死区。从调节器发出的单字节流控制开关电流源，两个连续的电阻电容装置进行过滤。电容为电流输出额外增加的器件。输出电流则简单显示为4 mA～20 mA，OmA～20mA或0mA～24mA。AD420采用BiCMOS工艺，能够适合高性能的低电压数字逻辑和高电压模拟电路。 
    如果需要，AD420同样能够提供电压输出代替电流环输出。增加了一个额外的电压放大器使用户得到OV~5 V，0V～10V，±5V或±10V的电压。
    AD420有一个环路故障检测电路。当开环或者供电电压不足使IOUT电压超过限制电压时会产生警报。故障检测端为低电平触发，所以可以用一个上拉电阻器同时连接至多个AD420的故障检测端，上拉电阻器可以接至VLL端或外接5 V逻辑电压。
    IOUT电流由一个PMOS晶体管和内置放大器控制。内置电路提供故障输出，避免使用窗口限制比较器，这就要求在故障检测端输出有效之前需要一个实际的误差输出。反之，当AD420输出级的内置放大值低于l V的驱动值时，信号就会产生。因此，故障输出端在跳转限制达到要求之前保持不变。由于比较在输出放大反馈网络内进行，输出精度通过开环增益保持稳定，在故障检测输出变为有效之前没有输出误差。3个数字接口，包括数据输入、CLOCK、LATCH。如果用户想要使本质安全应用电路具有最少的流电隔离器数目，可将AD420配置在异步模式下工作，这种模式可将LATCH通过一个限流电阻连接到Vcc来实现。数据的值通过O，1进行组合来构造信息并触发LATCH信号。
2.1 时序操作
    如图1所示，AD420采用∑-△架构进行A/D转换，由于其内部结构固有的单调性以及高分辨率，因此特别适合工业控制环境的相对低带宽需求。

2.2 电流模式输出
    如图2所示，AD420在不需要任何外部有源器件的情况下能提供4 mA~20 mA、0 mA~20 mA及0mA~24mA电流输出。滤波电容Cl和C2可选择低成本的陶瓷电容。为了满足满量程3 ms的快速响应，应选用低电介质吸收电容，其中C1=O.OlμF，C2=0.0lμF。
2.3 电压模式输出
    如图3所示，由于AD420是一个单电源器件，必须在VOUT引脚增加一个外部缓冲放大器。其两级电压输出范围如表2所列。

2.4 可选范围及零点调整
    用户若希望获得低于指定值的偏移和增益误差，可用图4给出的简单方法来调整这些参数。选用低漂移电阻要谨慎，因为它们会影响DAC的温度漂移性能。调整算法采用迭代法。在4 mA～20 mA模式下，AD420的参数调整方法如下所示：
    1)偏移调整。设所有输入为0，调节调零电阻(RZERO)使输出电流为4.00000 mA。
    2)增益调整。设所有输入为1，调节调零电阻(RZERO)使输出电流为19.99976 mA。
    重复第一和第二步，直到两端的精度都达到要求。
    在BOOST引脚以及电源之间连接一个5 kΩ电阻(RSPAN2)可使增益提高+0.8％。
    由于RSPAN电阻可变化到最大值500 Ω，在RSPAN电阻和基准输入电阻(30 kΩ)的作用下，基准输入端电压将受到影响。当调整RSPAN2电阻的大小时，三者共同影响将使基准输入电压误差在-O.8％~+0.8％范围内变化。

3 基于MSP430的接口应用及编程
    硬件接口电路如图5所示。MSP430的串口通信模块可用两种方式实现：一是直接采用硬件通用串行同步/异步模块(USART)；二是通过定时器模块实现串口通信功能。这两种方式有很大的区别：前者USART模块是在一系列寄存器设置后，由硬件自动实现数据的移进和移出来完成串行通信的功能，同时还能实现两种通信协议，即UART异步通信协议和SPI同步通信协议；后者是在定时器的作用下，人工通过用户软件控制，逐位地将数据由端口发送或接收，因此常称为软件串行口。

    MSP430的发送或接收主要是移位寄存器在起作用。两个缓存器都是采用移位寄存器加缓存的结构。接收时，当移位寄存器将接收来的数据位流组合满一个字节后，保存到接收缓存URXBUF；发送时，是将发送缓存UTXBUF内的数据逐一送至发送端口。发送和接收两个移位寄存器的移位时钟都是波特率发生器产生的时钟信号BITCLK。MSP430的接收和发送分别使用两个寄存器，为全双工。
    对于没有SPI总线的单片机，可用MSP430的I/0口模拟SPI总线，程序如下：

    MSP430x13x系列的硬串口具有SOI模式，编程更为简单，其初始化程序如下：