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1 概述 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的重要部分。根據(jù)數(shù)字信號(hào)的輸出方式可分為并行和串行兩大類。并行ADC雖然數(shù)據(jù)傳輸速度快，但引腳多、體積大、占用微處理器接口多；串行ADC具有體積小、功耗低、占用微處理器接口少的優(yōu)點(diǎn)，而且傳輸速率較高，因此應(yīng)用日漸廣泛。 MAX1072／MAX1075是Maxim公司新推出的低功耗、高速、串行輸出10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該器件的最高采樣速率為1.8 MS／s，具有真差分輸入，與單端輸入相比可提供更好的噪聲抑制以及寬泛的動(dòng)態(tài)范圍。MAX1072／MAX1075工作在+4.75 V～+5.25 V單電源電壓，需要一個(gè)外部基準(zhǔn)。MAX1072與MAX1075的不同點(diǎn)在于：MAX1072允許單極性模擬輸入，而MAX1075允許雙極性模擬輸人。 MAX1072／MAX1075具有高轉(zhuǎn)換速度、低功率損耗、交流性能好以及直流精度高(±0.5 LSB INL)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合工業(yè)過(guò)程控制、數(shù)據(jù)采集、便攜式儀表等應(yīng)用。MAX1072／MAX1075的主要特點(diǎn)如下： 功耗僅45 mW(典型值)； 關(guān)斷電流僅1 μA (最大值)； 高速、SPI兼容的3線串行接口； 525 kHz輸入頻率下S／(N+D)為61 dB； 內(nèi)置真差分采樣／保持(T／H)； 外部基準(zhǔn)； 無(wú)流水線延時(shí)； 小尺寸12引腳TOFN封裝。 2 引腳說(shuō)明 MAX1072／MAX1075的引腳排列如圖1所示，其引腳功能說(shuō)明見(jiàn)表1。 3 結(jié)構(gòu)原理 MAX1072／MAX1075采用輸入采樣／保持和逐次逼近寄存器(SAR)電路，將模擬輸人信號(hào)轉(zhuǎn)換為10位數(shù)字輸出。數(shù)據(jù)輸出采用串行接口，僅需要3根數(shù)字連接線(SCLK、CNVST和DOUT)。非常方便與微處理器連接。MAX1072／MAX1075的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。 在初始上電后，MAX1072／MAX1075需要一個(gè)完整的轉(zhuǎn)換周期初始化內(nèi)部校準(zhǔn)電路。一旦上電，采樣／保持器就立即進(jìn)入采樣模式。當(dāng)CNVST的下降沿時(shí)，采樣／保持器進(jìn)入保持狀態(tài)，由SCLK提供轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，啟動(dòng)內(nèi)部的逐次逼近轉(zhuǎn)換過(guò)程。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，數(shù)據(jù)從DOUT串行移出，串行接口的時(shí)序如圖3所示。 如圖3所示，由于模數(shù)轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，所以只有在SCLK的第4個(gè)上升沿后，DOUT才開(kāi)始移出有效的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。在每個(gè)SCLK上升沿之后DOUT輸出各位數(shù)據(jù)，并且在SCLK的下一個(gè)上升沿后保持4 ns，首先在DOUT輸出的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)結(jié)果是MSB位，其他位依次輸出。由于共有10個(gè)數(shù)據(jù)位、2個(gè)子位(S1和S0)和3個(gè)引導(dǎo)零位，所以至少需要16個(gè)時(shí)鐘上升沿才能移出所有數(shù)據(jù)。 4 典型應(yīng)用 溫度測(cè)量是工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，熱電偶或熱敏電阻被廣泛用于將溫度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，以便能夠用于控制系統(tǒng)。這種電信號(hào)通常很微弱并且受到噪聲、失調(diào)和增益誤差的影響。在對(duì)電橋的輸出信號(hào)數(shù)字化處理之前，必須先將其進(jìn)行放大和失調(diào)處理，以便與數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入范圍相匹配，然后再濾除噪聲。 筆者設(shè)計(jì)的溫度測(cè)量系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度循環(huán)測(cè)量與顯示。主要用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的加熱爐以及具有較高溫度的場(chǎng)合，其測(cè)溫范圍是0℃～1 200℃，誤差要求小于±5℃。由于熱電偶得到的信號(hào)往往是微弱的電信號(hào)，它需要經(jīng)過(guò)放大才能為下一級(jí)電路才能使用，常用的放大電路有基本放大器、數(shù)據(jù)放大器等。其中，數(shù)據(jù)放大器是一種組合式的放大器電路，具有很高的輸入阻抗、較低的失調(diào)電壓、很小的溫度漂移和較高的增益，更重要的是這種放大電路具有強(qiáng)大的抑制共摸干擾的能力。廣泛應(yīng)用于熱電偶溫度計(jì)、應(yīng)變測(cè)量橋、流量計(jì)和生物醫(yī)學(xué)測(cè)量等許多技術(shù)領(lǐng)域。 數(shù)據(jù)放大電路如圖4所示，該電路由2個(gè)運(yùn)算放大器和多個(gè)電阻組成，其中A1，A2應(yīng)選擇高輸入阻抗的運(yùn)算放大器以保證測(cè)量的高精度，放大器電阻的選擇應(yīng)是對(duì)稱的。A1，A2都采用同相放大器接法。熱電偶在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采集的信號(hào)不可避免地?cái)v雜有其他的干擾信號(hào)。圖4中輸入端的兩個(gè)電容具有濾波功能，其中22μF的電容可濾去高頻信號(hào)，0.1μF的電容可濾去低頻信號(hào)；電阻R2的作用是調(diào)零；電阻R3作用是浮置，提高電壓；A1、A2兩個(gè)運(yùn)算放大器組成的電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，使輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為ADC可識(shí)別的信號(hào)U1、U2。如熱電偶在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采集的信號(hào)為0 mV～16.34 mV，放大至0 V～5 V。則放大倍數(shù)為306，只要調(diào)節(jié)R6即可。 在溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用AT89C51進(jìn)行控制。數(shù)據(jù)放大電路輸出的差動(dòng)信號(hào)U1、U2通過(guò)MAX1075進(jìn)行MD轉(zhuǎn)換，然后輸入AT89C51單片機(jī)完成實(shí)時(shí)溫度循環(huán)測(cè)量與顯示功能。溫度測(cè)量系統(tǒng)電路連接如圖5所示。 熱電偶采集現(xiàn)場(chǎng)溫度，由數(shù)據(jù)放大電路將檢測(cè)到的微小信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)锳／D轉(zhuǎn)換器可轉(zhuǎn)換的差動(dòng)信號(hào)U1、U2；差動(dòng)信號(hào)分別接到MAX1075的AIN+和AIN-端。MAX1075轉(zhuǎn)換啟動(dòng)端CNVST由單片機(jī)經(jīng)P11引腳發(fā)出信號(hào)選通；轉(zhuǎn)換結(jié)果由P10引腳從ADC的串行數(shù)據(jù)輸出端DOUT讀入單片機(jī)；讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的串行時(shí)鐘輸入端SCLK可由P12引腳依次發(fā)出高低電平構(gòu)成。這樣，在AT89C51的控制下將A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)中進(jìn)行處理。 在使用MAX1075時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)： 1) 采樣／保持器采集輸入信號(hào)所需的時(shí)間取決于其輸入電容的充電速度，如果輸入信號(hào)源的阻抗較高，那么采樣時(shí)間會(huì)加長(zhǎng)； 2) 為避免高頻干擾信號(hào)，應(yīng)采用抗混疊濾波器； 3) 為保證正確轉(zhuǎn)換，ADC兩個(gè)輸入端電壓都不能超過(guò)VDD或者低于GND； 4) 在兩次轉(zhuǎn)換之間，這些器件可處于部分關(guān)斷模式或完全關(guān)斷模式，分別使電源電流降低至1mA(典型值)和1μA(最大值)； 5) 如果需要模數(shù)轉(zhuǎn)換連續(xù)工作，則應(yīng)在第14個(gè)和第16個(gè)SCLK上升沿之間將CNVST拉高，當(dāng)器件連續(xù)轉(zhuǎn)換時(shí)，具有最高的數(shù)據(jù)吞吐率； 6) 外部基準(zhǔn)源REF引腳使用4.7 μF和0.01μF的旁路電容，可使性能達(dá)到最佳。 5 結(jié)束語(yǔ) 低功耗、高速、串行輸出10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX1072／MAX1075具有單電源供電、占用微處理器口線少、易于連接等優(yōu)點(diǎn)，而且具有真差分輸入，具有更好的噪聲抑制能力，降低了失真，并在單端輸入下具有更寬的動(dòng)態(tài)范圍。筆者在溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用該器件，不但簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，還提高了測(cè)量精度，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程。 |
