24位高精度模数转换器ADSl258的原理及应用

1 概述
    ADSl258是TI公司推出的一款高精度、低功耗、低噪声的16通道(多路复用的)24位△一∑型模数转换器(ADC)，其内部集成了输入多路复用器、模拟低通滤波器、数字滤波器等功能。内部有多种控制寄存器，用户通过不同的配置得到不同的A／D采样速率、采样模式、A／D转换精度等。适用于对性能、功耗要求高、模拟通道要求多的数据采集系统。

2 ADSl258主要特点及引脚功能
2．1 主要特点
    △一∑ADC，24位转换精度，定通道采样速率为125 Ks／s(可编程)，自动通道检测通道采样速率为23．7 Ks／s(可编程)；
    模拟输入多路复用器可配置成8路差分输入或16路单极输入。多路复用器的输出可通过外部获得，这就能在ADC输入之前采用共享的信号调节通道；
    0．5μV／℃的失调漂移、最大0．001 0％的满量程整数非线性误差；
    工作电压范围为2．7～5．25 V；
    内部带有针对低噪声性能进行了专门优化的5阶正弦数字滤波器；
    带有串行外设接口(SPI)；
    与其他ADC相比，ADSl258具有精度高、转换数率快、功耗低、工作性能好等特性，适用于设备与系统监控、数据采集、医疗、航空电子、测试测量等多通道应用场合。
2．2 引脚功能
    ADSl258采用QFN一48小型封装，各引脚功能定义如下：
    AINO～AINl5：模拟信号输入端；
    GPl00~GPl07：GPIO信号输入／输出端；
    CLKSEL：时钟信号选择输入端；
    SCLK：SPI接口时钟输入端；
    DIN：SPI接口数据输入端；
    DOUT：SPI接口数据输出端；
    DRDY：数据准备好输出端；
    START：数据开始转换信号输入端；
    CS：SPI接口片选端；
    VREFN：参考电压输入端(+)；
    VREFP：参考电压输入端(一)；
    ADCINN：模拟差分输入端(一)；
    ADCINP：模拟差分输入端(+)；
    MUXOUTN：多路复用器差分输出端(一)；
    MUXOUTP：多路复用器差分输出端(+)；
    DVDD：数字电源，2．7~5．25 V；
    RESET：复位端。
2．3 结构原理
    图l为ADSl258的内部结构框图。ADSl258主要由模拟多路开关(MUX)、可共享的信号调理通道、4阶△一∑ADC、5阶正弦数字滤波器、SPI接口、GPIO接口、时钟发生器、控制器等组成。模拟信号从AINO～AINl5引脚输入，通过多路模拟开关可将其配置成8路差动输入或16路单极输入，通过共用的信号调理通道，输入到4阶△一∑ADC实现24位A／D转换，通过数字滤波器，最终以SPI接口的形式输出数字信号。在使用外部可共享的信号调理通道时，根据实际情况，可关闭所使用的调理通道，只需将寄存器CONFIGO的第4位(BYPAS)置0即可关闭外部调理通道，直接在ADSl258内部实现连接。但是，在大多数使用条件下，为获得更高的A／D转换精度，建议使用外部信号调理通道。

    ADSl258采用4线制(时钟信号SCLK、数据输入DIN、数据输出DOUT和片选)SPI通信方式，由于ADSl258无法控制SPI何时开始传输，而是由主机控制数据传输，因此ADSl258只能工作在SPI通信的从模式下，设计时可通过各种主控制器控制ADSl258片上的寄存器，并通过SPI接口读写这些寄存器。通过SPI接口进行通讯时，必须保持CS信号为低电平，DRDY引脚用于表明转换是否完成，DRDY为低时，说明转换已完成，可以直接通过通道读取数据或通道读数据命令从DOUT引脚上读出转换数据。SPI通信，可同步发送和接收数据，而且数据也可利用SCLK和DIN，DOUT信号同步移动。在SCLK的下降沿，系统通过DIN向ADSl258发送数据；而在SCLK的上升沿，系统则通过DOUT从ADSl258读取数据。DlN和DOUT也通过一条双向信号线与主控制器相连。图2给出SPI通讯时序图。

2．4 主要寄存器
    ADSl258工作过程的建立主要通过设置其独立寄存器来实现的。这些寄存器包括出厂时所有需要设置的信息，如采样模式、外部信号调理通道开关、时钟模式的选择、模拟输入是单极输入还是差分输入等等。表l给出了ADSl258的主要寄存器。其中CONFIG0和CONFIGl为状态寄存器，MUXSCH为多路固定通道选择寄存器，MUXDIF为多路模拟差分输入配置寄存器，MUXSG0和MUXSGl为模拟单极输入通道选择寄存器。状态寄存器CONFIG0的最高位由制造商设定为0，不能更改。SPIRST决定了ADSl258的SPI接口复位时间，SPIRST=l时其复位时间为4 096fclk；SPIRST=O时则为256fclk。MUXMOD是扫描模式选择位，当MUXMOD=0时采用自动扫描模式；MUXMOD=l时采用固定模式。BYPAS位用于选择是否采用外部信号调理通道选择位，BYPAS=0时，内部多路复用器短接而不使用外部的信号调理通道；BYPAS=l时，输入的模拟信号通过共用的外部信号调理通道传输到24位△一∑ADC转换器。CONGIGl寄存器中的DRATE[1：0]位是A／D转换速率选择位，在自动扫描模式下，DRATE[1：0]=ll=23．739 Ks／s；DRATE[1：O]=10=15．123 Ks／s；DRATE[l：0]=0l=6．168 Ks／s；DRATE[l：O]=Ol=6．168 Ks／s；DRATE[1：0]=00=1．83l Ks／s。

3 典型应用
3．1 硬件设计
    图3为ADSl258的单极多通道应用电路图。该电路为多路数据采集系统，将外部输入的16路模拟信号通过多路模拟开关，传输到外部共用的信号调理通道，通过信号调理通道的信号调节作用，传输给24位△一∑型A／D转换器进行模数转换，A／D转换结束后，将转换结果通过专门优化的5阶正弦数字滤波器进行滤波，最后才通过SPI接口传输给C805lF120进行处理。

    为了提高数据的采集精度，本采集系统采用MAXIM公司的具有高精度和低漂移的4．096 V电压基准MAX6164A。同时由于输入信号的电压范围为O~1 V，为了使输入信号的范围与电压基准相一致，提高采集精度，在信号通过外部信号调理通道时，调整比例因子，即就是R7和R6的值，使输入信号放大4倍，量程为0~4 V，其电压增益AV=1+(2R7／R6)，只要选择合适的R7和R6，使AV=4即可满足要求。同时为了提高A／D转换精度，选用R6和R7时尽可能选择高精度的精密电阻。
3．2 软件设计
    由于C805lFl20和ADSl258都拥有各自的硬件SPI接口，编程比较简单，只要按照ADSl258的时序图编程即可实现软件设计功能，需注意以下事项：使用SPI接口时，要先对行SPI接口进行复位，可采用硬件复位或软件复位，但是即使采用硬件电路复位，使CS信号固定在低电平时，还要进行SPI软件接口复位，否则有可能使SPI读写数据不准确。
    在配置A／D转换速率时，在满足系统条件下，尽量选择转换速率比较低的工作模式，这样可以提高转换精度；
    为达到最佳性能，在电路布局时要使数字信号线与模拟信号线相隔离，可根据实际应用需要，可选择数字电源和模拟电源工作在不同的电压模式。

4 结语
    ADSl258具有转换速率快、高精度、低功耗、接口简单等优点，非常适合多通道高精度数据采集领域的使用。目前，基于ADSl258的数据采集处理系统已经在某导航系统中使用，并且取得了很好效果。