原创 MAX1148型高精度14位串行A/D转换器

1 概述

    模/数转换器（ADC）是现代测控中非常重要的环节。它有并行和串行两种数据输出形式。并行ADC虽然数据传输速度快，但有引脚多、体积大、占用微处理器接口多的缺点；而串行ADC的传输速率目前已经可以做得很高，并且具有体积小、功耗低、占用微处理器接口少的优点。因此，串行ADC的应用越来越广泛。

    MAXll48是Maxim公司最新推出的一种真差分、8通道、14位逐次逼近、串行输出模／数转换器。处理器接口多的缺点；而串行ADC的传输速率目前该器件具有转换速率高、功耗低、接口方便的优点，特别适用于工业过程控制、高精度数据采集、便携式数字仪表、医疗仪器等领域。

2 MAX1148的特点和结构

    2.1 MAX1148的特点

● 8路单端或4路差分输入（内置多路模拟开关，由软件设置）。

● 单极性模式时输出为二进制模式；

双极性模式时输出为二的补码格式，1LSB=（VREF/2N）；

数据在SCLK下降沿同步输出，MSB先出。

● 5V±5%单电源。

● 内部基准电压+4.096V或外接基准。

● 采样速率：(116ksps)；

120Aμ(10ksps)；

12Aμ(1ksps)；

300Aμ(关断模式)。

● 内置T/H（跟踪/保持）电路。

● 内部时钟或外部串行时钟（频率范围为0.1MHz~2.1MHz），可通过设置控制字中的PD1、PD0位进行选择。

● 提供一个硬关断（将SHDN引脚置低）和两个软关断（通过编程设置控制字中的PD1、PD0位来实现）模式。

● 与SPI/QSPI/MICROWIRE接口兼容。

  2.2 MAX1148的结构

    MAX1148采用14位逐次逼近寄存器（SAR）和输入跟踪/保持（T/H）电路，实现将模拟信号转换成14位数字信号，并用串行方式输出的功能，其内部结构如图1所示。

MAX1148采用20引脚的功能如下：

● CH0-CH7(1-8)：模拟输入端。

● COM(9)：公共输入端。单端模式下为模拟负输入。单极性和双极性模式下，当转换器输入不为0，而希望转换结果为0时，需在该端输入相应模拟电压。

● SHDN（10）：关断输入，低电平有效。当SHDN置低时，转换器进入硬关断模式，转换立即中止。

● REF（11）：内部基准电压输出或外部基准电压输入，它是模数转换的基准电压。该电压决定了ADC输入范围和满量程输出值。

    MAX1148含有一个内部1.25V带隙基准，通过一个2kΩ电阻接至基准缓冲器并引至REFADJ引脚。由于MAX1148的基准缓冲器具有3.277V/V的增益，所以基准缓冲器输出引脚 REF直的电压为4.096V，作为内部基准电压使用。

    如果使用外部基准电压，则有两种使用方式：

（1）禁止内部基准缓冲（将REFADJ端与VDD端直接相连)，将外部基准电压(1.5V至VDD+50mV，输出电流大于210μA)接至REF端即可(如图3所示)。

(2)将外部基准电压连至REFADJ端，通过内部基准缓冲器，在REF引脚得到幅度为外部基准电压乘以基准缓冲器增益3.277后的SAR ADC基准电压(如图4所示)需要注意的是，在REF引测得的基准电压值必须在1．5V至VDD+50mV之间。

●REFADJ(12)：带隙基准输出和基准缓冲器输入。REFADJ连至VDD时禁止内部带隙基准和基准缓冲放大器，其用法如前所述。

●AGND(13)：模拟地。

●DGND(14)：数字地。

●DOIJT(15)：串行数据输出。CS置低时，数据在SCLK下降沿同步输出。CS置高时，DOUT为高阻态。

●SsTRB(16)：串行触发输出，反映了ADC转换状态。

在内部时钟模式下，ADC转换开始时，SSTRB由高变低，转换完成后，SSTRB由低变高并保持两个SCLK时钟周期为高电平。从第三个SCLK时钟周期开始，DOUT输出转换结果。

在外部时钟模式下，ADC转换开始时，SSTRB由低变高并保持两个SCLK时钟周期的高电平。从第三个SCLK时钟周期开始，在进行ADC转换的同时，DOUT输出转换结果。置高时，SSTRB为高阻。

●DIN(17)：串行数据输入，用于输入控制字。CS置低时，数据在SCIK上升沿同步输入。CS置高时，DIN为高阻态。

●CS(18)：片选输入，低电平有效。只有CS置低时，数据才可同步输入(DIN)或输出(DOUT)。

●SCLK(19)：串行时钟输入，是数据同步输入或输出的移位信号。在外部时钟模式下，无论是SCLK还是ADC转换时钟．都决定了转换速率(SCLK的占空比必须在40％至60％之间)。

●VDD(20)：电源输入。用0.1μF电容器接至AGND。

3 工作原理

    3.1控制字格式

    在启动MAXll48进行A／D转换之前．必须先由SCLK将控制字从DIN端送入其内部输入移位寄存器，以决定其工作模式并启动转换。

    3.2时钟模式

    MAXll48可用外部串行时钟或内部时钟两种模式来完成逐次逼近转换。但是，不管哪种模式，数据的移人和移出都要由外部时钟SCLK来完成。

    在外部时钟模式下，通过外部时钟SCLK控制数据的移入和移出，同时SCLK还是模数转换时钟。在控制字的最后一位移人后，SSTRB由低变高并在保持两个SCLK时钟周期的高电平后变低。其后14个SCLK的每一个下降沿决定逐次逼近转换结果每位的值，并在DOUT端输出。需要注意的是，每次模数转换都必须在较短时间内完成，以避免采样保持电容器上的压降对转换结果带来的影响。如果外部串行时钟SCLK的频率低于100kHz。或者由于串行时钟的不连续使得转换时间超过140μs，建议使用内部时钟模式。

    在内部时钟模式时，MAXll48自身产生转换时钟，并允许微处理器以小于2.1MHz的时钟频率读取转换结果。在控制字的最后一位移入后，SSTRB由高变低，待转换完成后由低变高，完成一次转换的时间最长为8.0μs。在整个转换期间，为了得到最佳的噪声性能，SCLK应保持低电平。在SSTRB变为高电平之后,从第二个SCLK开始的每一个SCLK下降沿，在DOUT端由高到低依次输出转换结果的各位的值。

    3.3 A／D转换过程

    MAXll48在时钟脉冲的作用下进行逐次逼近式A／D转换，一般每24个时钟周期完成一次转换和读出操作。内部时钟模式与外部时钟模式的时序如图5、图6所示。

    A／D转换速度要求不是很高时，常选用内部时钟模式。现以内部时钟模式为例说明MAXll48的工作过程：

    首先根据系统要求确定MAXll48的控制字，例如，需转换0通道的单端单极性模拟量，控制字为8EH。然后向MAXll48输入控制字并读取转换结果，其步骤为：

(1)使片选端CS变为低电平并保持不变，此时DOUT处于低电平，SSTRB处于高电平；

(2)在DIN输入端由高到低依次输入控制字各位的值。

具体做法是：首先使DIN端为高电平(输入“l”)，在第一个SCLK的上升沿将DIN的第一位数据“l”移入内部移位寄存器中。即移入START开始位：以此类推，在后面7个SCIJK的上升沿分别将输入DIN端的控制字其他位移入内部移位寄存器中；

(3)当控制字的最后一位数据被移入之后(第8个SCLK的下降沿)，转换开始，SSTRB由高变低；

(4)经tcoNv之后，A／D转换结束，SSTRB由低变高。

(5)在转换结束后的任何时刻，通过SCLK时钟将移位寄存器中的转换结果(14位二进制数)由DOUT端同步移出。具体做法是：从SSTRB置高后的第二个SCLK时钟的下降沿开始，利用SCLK时钟逐一将转换后的结果从DOUT端移出，最高有效位在前。

4 MAXll48的应用举例

    MAXll48通过DIN、DOUT、SCLK、SSTRB和CS5个信号与微处理器连接，其中，SSTRB是反映ADC转换状态的标志．可以用查询方式和中断方式监视此信号，以决定何时读取转换结果。如果是外部时钟模式或内部时钟模式中的软件延时，此信号可以空置不用。MAXll48与8位微处理器的典型连接如图7所示。

    下面给出内部时钟模式下完整的转换和控制程序(转换结果在30H和31H中)，以供参考：

START：CLR P1-3 ：SCLK为低电平

CLR P1.0 ：片选有效

MOV A,#lXXXXXl0B ：控制字送A

MOV R1,#08H ：输入控制字位数

LPl：MOV C，ACC.7 ：取控制字并送至DIN端口

MOV P1.1，C

SETB P1.3 ；DIN端口数据移入内部移

位寄存器

CLR P1.3

RL A ：控制字移位

DJNZ R1，LPl

LP2：JNB P1.4，LP2 ；检测SSTRB，等待转换结束

SETB P1.3

CLR P1.3

CLR A

MOV R1，#06H ；读入高6位数据

LP3：RL A

SETB P1.3

CLR P1.3

MOV C，P1.2

MOV ACC.0，C

DJNZ R1，LP3

．MOV 30H,A

MOV R1，#08H ；读入低8位数据

LP4：RL A

SETB P1.3

CLR P1.3

MOV C,P1.2

MOV ACC.0,C

DJNZ R1，LP4

MOV 31H,A

STAY：SJMP STAY

END

    外部时钟模式编程与内部时钟模式基本相似， 只需把控制字改为#1XXXXXllB，并删除上述程序中标号为U)2的程序行即可。

5.结束语

    随着电子技术的不断发展，各种串行接口电路的应用越来越多．如串行A／D、D／A及各种接口电路等。与一般ADC器件相比，MAXll48具有单电源供电、自带内部基准电压、转换精度高、外围电路简单、占用微处理器口线少、易于连接等优点，适用于较复杂的测控系统。