【導讀】對于在野外工作的數據采集系統來說,由于環境的影響和條件的限制,往往需要系統具有比較低的功率消耗,同時應帶有溫度補償等功能,因此,筆者在繼電保護裝置的數據采集系統設計中采用MAX1230來完成A/D轉換功能?MAX1230是MAX-IM公司2003年推出的一種低功耗?可進行溫度補償并帶有采樣保持功能的多通道12位串行模數轉換器?它內置基準電壓源?時鐘電路和溫度傳感器,具有16個模擬輸入通道,可實現輸入通道掃描A。
1?MAX1230的主要特點
對于在野外工作的數據采集系統來說,由于環境的影響和條件的限制,往往需要系統具有比較低的功率消耗,同時應帶有溫度補償等功能,因此,筆者在繼電保護裝置的數據采集系統設計中采用MAX1230來完成A/D轉換功能?MAX1230是MAX-IM公司2003年推出的一種低功耗?可進行溫度補償并帶有采樣保持功能的多通道12位串行模數轉換器?它內置基準電壓源?時鐘電路和溫度傳感器,具有16個模擬輸入通道,可實現輸入通道掃描?輸出數據平均和自動關斷功能,此外,該芯片還具有一個高速的串行接口?與其它的模數轉換器相比,MAX1230具有較多的功能,且工作方式靈活多樣,可應用于系統監視?數據采集?病人監護?工業控制和儀器制造等多種領域?
MAX1230的主要特點如下:
●所有輸入通道均可按單端或差分方式進行配置,單端方式下可配置為16個通道,差分方式下可配置為8個通道;
●轉換速率可達300kSPS,此時的功耗僅為1.8mW;
●在整個溫度范圍內不會丟碼,精度為±1LSB INL和±1LSB DNL;
●采用單電源+5V供電,內部具有4.096V的基準電壓和時鐘電路,也可使用外部差分基準或外部時鐘輸入;
●具有10MHz可兼容SPI/QSPI/MICROWIRE的接口;
●工作溫度范圍為-40~+85℃,且內部帶有精度為±1℃的溫度傳感器,同時可進行溫度補償?
2?MAX1230的內部結構
MAX1230的內部結構如圖1所示,它由跟蹤/保持放大器(T/H)?12位逐次逼近型ADC?控制邏輯?內部時鐘?串行接口?先入先出寄存器(FIFO)?內部基準電壓源和溫度傳感器等組成?
3?MAX1230的引腳排列
MAX1230有24腳QSOP和28腳QFN兩種封裝形式,其引腳排列如圖2所示?各引腳的功能如下:
AIN0~AIN15:模擬量輸入;
REF-:使用外部差分基準源時的負輸入,與A14復用;
CNVST:“轉換開始”信號輸入,低電平有效,與A15復用;
REF+:基準電壓源的正輸入,該腳和地之間要加0.1μF的電容;
GND:接地腳;
VDD:電源輸入,電壓范圍為4.75~5.25V,它和地之間應加0.1μF的電容;
SCLK:串行時鐘輸入,用作采樣和轉換,使用外部時鐘時,其頻率范圍為0.1MHz~4.8MHz,當其作為讀寫串行數據的時鐘頻率時,可達到10MHz,占空比范圍為40%~60%;
CS:片選端,低電平有效;
DIN:串行數據輸入,輸入的串行數據在SCLK的上升沿被鎖存?通過SCLK?CS?DIN三根信號線可組成與SPI/QSPI/MICROWIRE相兼容的串行輸入接口;
DOUT:串行數據輸出,它與SCLK的下降沿同步?當CS為高電平時,DOUT為高阻態;
EOC:“轉換結束”標志輸出,當它變為低電平時表明轉換結束,輸出數據有效?
4?MAX1230的工作過程
4.1 轉換參數的配置
MAX1230的工作方式由其內部的控制寄存器決定,這些寄存器主要有轉換方式寄存器?工作方式寄存器?均值方式寄存器和復位寄存器等?工作時,首先要對這些寄存器進行正確配置,配置參數可通過MAX1230的串行口寫入?在進行配置時,CS置為低電平,配置參數從DIN引腳輸入,并在串行時鐘SCLK的上升沿被鎖存,此過程中,SCLK的頻率不能高于10MHz?表1所列是這幾個寄存器的參數定義?下面是對它們的具體說明?
表1 MAX1230主要寄存器的參數定義
(1)在轉換方式寄存器中,BIT7為標志位,BIT6~BIT3用以選擇輸入通道,0000~1111分別對應著AIN0~AIN15的各個輸入;BIT2和BIT1用以確定輸入通道的掃描方式;BIT0是溫度測量方式位,該位為1時,只進行1次溫度測量,并在第一次的轉換數據中輸出?
(2)工作方式寄存器中,BIT7和BIT6為標志位;BIT5和BIT4用于選擇時鐘的使用方式,可確定具體使用內部時鐘還是外部時鐘;BIT3和BIT2用于選擇是用內部還是外部的基準源;BIT1和BIT0的值用于在差分輸入方式下決定選擇是單極性工作模式還是雙極性工作模式,當這兩位的值為00和01時,對應的寄存器不作修改,當其為10時,系統將修改單極性模式寄存器,而當為11時,修改雙極性模式寄存器?實際上,在配置了工作方式寄存器后,也就對單/雙極性模式寄存器進行了配置?
(3)在均值方式寄存器中,BIT7~BIT5是標志位;BIT4是均值功能控制位,該位寫入1時開啟均值功能,寫入0時關閉;BIT3和BIT2用于定義計算均值時所需的數據個數;BIT1和BIT0用于設置對某一通道掃描時返回結果的個數?
(4)復位寄存器中的BIT7~BIT4為標志位;BIT3是復位操作控制位,該位寫入1時,僅復位內部FI-FO,寫入0時復位所有的寄存器至默認狀態;BIT2~BIT0為保留位,一般不影響操作?
4.2 轉換過程的控制
按照采樣和轉換過程中時鐘工作方式的不同,MAX1230的工作方式分為四種,可根據情況靈活選擇?轉換的結果有12位,高位在前,并以“0000”為前導形成兩個字節從DOUT引腳輸出,同時與串行時鐘SCLK的下降沿同步?這四種工作方式如下:
(1)采樣和轉換都使用內部時鐘,并用CONVST信號進行初始化,其時序如圖3所示?工作時,CONVST需要產生一個寬度大于40ns的低電平來對采樣和轉換進行初始化?轉換結束后,信號EOC變成低電平表示轉換結果有效,可以從DOUT引腳讀出數據?在EOC信號產生前,CONVST信號不能出現低電平,否則會引起內部FIFO操作的錯誤?
(2)采樣使用外部時鐘,而轉換使用內部時鐘,并用CONVST信號進行初始化?此種模式下的讀寫操作和第一種類似,區別是當需要進行均值運算時,該方式還需要再產生一個CONVST信號來初始化均值運算?
(3)采樣和轉換都使用內部時鐘,并通過串行口寫入命令字來進行初始化,該模式的時序如圖4所示?寫入命令字后轉換開始,轉換完成時,EOC信號變為低電平,數據可以從DOUT讀取?這種方式是芯片上電后默認的工作方式?
(4)采樣和轉換都使用外部時鐘,并通過串行口寫入命令字來進行初始化?該方式與第三種方式的區別是采樣和轉換都使用外部時鐘,此時外部時鐘的頻率不能超過4.8MHz?在這種方式下,結果在轉換的過程中就可讀取,信號EOC始終為高電平,此種方式下,輸入通道掃描和輸出數據均值等功能都不可用?
5?典型應用
筆者在電力系統繼電保護裝置的設計中使用了MAX1230來采集電壓信號,圖5所示是MAX1230與單片機AT89C51的接口電路?根據應用要求,此電路中的MAX1230工作于第一種方式,采樣和轉換過程使用的都是內部時鐘和內部基準電壓源?工作時,由單片機產生CS和CONVST信號以控制轉換過程,并用EOC信號作為外部中斷源來觸發單片機的INT0中斷?單片機在響應中斷后將產生串行時鐘SCLK和片選信號CS,并從DOUT引腳讀取轉換結果?由于此電路中需要用到CONVST引腳,因此與其復用的A15就不能再用了,這樣,模擬輸入通道實際可用的只有15個,即A0~A14 ?
實際上,筆者在設計中使用了其中的A0~A11這12個通道,并使其工作于輸入通道掃描方式?運行結果表明:MAX1230工作可靠,效果較好?
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