同步采样A／D转换器AD7262原理及应用

 概述
    AD7262是一款逐步逼近式(SAR)模数转换器(A／D转换器)。其内部有2个跟踪保持放大器，2个12位的同步采样A/D转换器，2个可编程的放大器以及2组比较器和2个独立的数据输出引脚。适用于汽车控制领域及要求高同步、需简单运算的微弱信号检测应用。因此，这里详细介绍同步采样MD转换器AD7262原理及应用。

2 AD7262简介
2．1 主要特点
    AD7262具有高速低功耗同步采样，最高可达1 MS／s。其内部集成的可编程放大器PGA有14种放大增益可供选择。两组比较器A、B和C、D用作电机控制或各种电极传感器的运算器。其中比较器A和B具有低功耗特点，比较器C和D具有高速特点。双通道差分输入同时采样和A／D转换，输入阻抗大于1 GΩ。单电源+5 V供电。PGA增益为2,-3 dB带宽为1．7 MHz，信噪比SNR为73 dB；其增益为32时，信噪比为66 dB。输入直流漏电流±0．001μA，失调漂移为2．5μV／℃。带有串行外设接口SPI，兼容QSPI，MICROWIRE，DSP。该器件具有多种节能模式，动态匹配所需内部模块，具有寄存器控制和引脚驱动两种工作方式。
2．2 引脚功能
AVcc：模拟电源输入端，4．75～5．25 V；
CA_CBVCC／CC_CDVCC：比较器的电源输入端，2．7～5．25 V；
CA_CB_GND／CC_CD_GND：比较器的地输入端；
VA+/VA-,VB+／VB-：A／D转换器A和B通道的差分模拟输入端；
VREFA／VREFB：A／D转换器A和B通道的基准电压输入输出端；
SCLK：串行时钟，SPI通讯时钟，也是A／D转换过程的时钟源；
CAL：初始化内部失调校准逻辑输入；
PD2：节能模式选择逻辑输入；
PD1：节能模式选择逻辑输入；
PD0／DIN：节能模式选择逻辑输入，同时在寄存器控制模式下为数据输入端；
CS：片选输入端；
CA+/CA-,CB+/CB-：比较器A和B的差分输入端；
CC+／CC-，CD+/CD-：比较器C和D的差分输入端；
AGND：模拟地输入端；
DGND：数字地输入端；
COUTA～COUTD：比较器CMOS推拉输出，使用VDRIVE时，为数字输出端；
DOUTA／DOUTB：A／D转换串行数据输出端；
G0～G3：增益倍数逻辑输入端，当全为低电平时，为寄存器控制工作方式；
VDRIVE：逻辑电源输入端，2．7～5．25 V；
REFSEL：基准电压选择端，高电平使用内部基准电压，低电平使用外部基准电压。
2．3 内部结构
    图1为AD7262的内部结构图。两路差分信号通过各自的PGA同步采样放大后，进入跟踪保持器，此时由控制逻辑控制2个12位的逐次逼近型A／D转换器实现模拟数字转换，最后由输出驱动器分别串行驱动输出至DOUTA和DOUTB。

    在引脚驱动方式下，G0～G3必须至少有一个高电平。外接的G0～G3决定PGA的放大倍数。PD2～PD0 3个端口电平控制其内部比较器和12位的A／D转换器各模块的使用或关闭。在寄存器控制方式下，PD2，PD1，G0～G3全为低电平。PD0／DIN为数据输入端，用于写入相关控制寄存器，动态配置放大倍数、校准和节能模式。AD7262以2的补码输出转换结果。
2．4 自动校准
    自动校准是AD7262的主要特点之一。利用CAL引脚校准设备失调。设置CAL为高电平，在下一个CS下降沿完成初始化校准值。失调校准的完成需要一个完整的转换周期，包括CS下降沿后的19个SCLK周期。如果需要，CAL可保持多于一个转换周期的高电平，且此时AD7262继续校准。也可使用控制寄存器初始校准值，设置控制寄存器的CAL位为1即可实现。注意在下一个CS下降沿，校准会被初始化，AD7262的当前转换就失去意义。其A/D转换器必须处于工作状态来完成内部校准。
    A/D转换器A和B通道具有独立的外部增益寄存器用以校准信号增益。增益校准寄存器有7位，改变该寄存器以补偿增益。MSB是符号位，其他6位为存储增益倍数，用于调整模拟输入信号的范围，其校准精度是1/4 096。

3 典型应用
3．1 硬件设计
    图2为AD7262与ARM处理器LPC2378的典型应用电路，实现直流电法勘探中电极A、B电流和电极M、N电压的采集。采用金属膜电阻作为采样电阻以提高测量精度。由于A、B电极之间电压是对大地供电的电极电压，一般大于100 V，前端电极中都有高压隔离电路，该采样电阻阻值一般小于100 Ω。AD7262工作在寄存器控制方式。在LPC2378的P0．15提供的SCLK的控制时序下，通过P0．18向AD7262的控制寄存器写入相关数据。CS进入低电平状态后，首先由P0．18写入相关寄存器数据，再开始采样保持并转换输出。在写入寄存器时，DOUTA和DOUTB输出为三态。

    AD7262主要通信方式为SPI四线式。由于AD7262无法控制何时通信，故只能工作在从模式下。主控制器LPC2378的P0．15提供通讯时钟信号SCLK。CS为片选输入。DOUTA或DOUTB为SPI的数据输出端。SPI的数据输入端为PD0／DIN。电路设计时，通过LPC2378向AD7262内部写入相关数据来实现各类动态配置。图3和图4为串行接口读写时序图。串行时钟SCLK提供转换时钟及AD7262转换后传输信息的控制。对于片内2个A／D转换器，AD7262有相应的2个输出引脚。数据从AD7262的DOUTA和DOUTB读取。用户可选用其中一个输出数据。

    在CS下降沿，跟踪保持器处于保持模式。此时，采样、转
换同时被初始化模拟输入。这需要至少19个SCLK周期。第19个SCLK的下降沿到来时，AD7262恢复至跟踪模式，并设置DOUTA、DOUTB为使能。数据流由12位组成，MSB在前。转换结果MSB在SCLK第19个周期的下降沿由微控制器在第20个时钟SCLK的下降沿或上升沿读取。上升沿还是下降沿取决于所使用的SCLK的频率。如SCLK最大频率为40 MHz时，其读取数据时间是23 ns，则导致2 ns的建立时间。而这2 ns的建立时间无法与微控制器匹配。在这种情况下，就需要在时钟SCLK的上升沿开始读数据。这样，转换结果的MSB位在第19个SCLK下降沿，延迟15 ns，并在第20个周期SCLK的上升沿才被读出。依此类推，至第30个SCLK下降沿A／D转换器输出LSB，在第31个SCLK上升沿读出。反之，如果SCLK为32 MHz时，则下降沿读数据。在设计中SPI的通信时钟频率(LPC2378的P0.15)小于32 MHz，所以在时钟的下降沿由LPC2378读写数据。为提高系统的精度和稳定性，可加入一定阻值的耦合电容。
3．2 软件设计
    AD7262内含6个寄存器，分别是A／D转换器的结果寄存器、控制寄存器、A／D转换器A和B的内部失调寄存器、A／D转换器A和B通道的外部增益寄存器。控制寄存器共有12位，其中，RD3～RD0是寄存器选择位。
    由于LPC2378和AD7262都兼容SPI接口，两者的编程只需按照时序图进行即可。此外LPC2378还有许多其他类型接口，所以便于实现网络化,详细流程参见图5。

    软件设计中需要注意：CAL引脚在CS为低电平前必须至少保持2μs高电平以确保第一个转换周期中校准的准确性。如果在这段时间内，CAL出现低电平，将导致校准结果不准确。但如果继续为高电平，下一个校准转换则是准确的。另外在A／D转换过程中，CAL若出现高电平，转换结果也将不正确。AD7262的校准是在测量过程中，A／D转换前进行的。在测量过程中先校准再采样保持。与编程写寄存器，在时序上要分开。此外使用SPI接口，只有硬件复位是不够的，还要使用软件复位以保证读写数据的正确性。实际应用中，要将数字和模拟部分地线隔离。整个软件部分采用串口读写寄存器完成。

4 结束语
    与其他A／D转换器相比，AD7262除了转换速度快、接口简单、低功耗、控制功能较强的特点外，还具有内嵌PGA、自动校准、同步采样等特点，适合于不同信号强度级别的多种电极传感器的信号检测、控制和电机控制系统。目前，该系统已成功应用于物理勘探电法实验仪器中，实现A-B和M-N的电极同步电压测量，效果较好。