8通道24位模数转换器ADS1216原理及应用[转贴]

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8通道24位模数转换器ADS1216原理及应用

发布日期:2005-08-08　作者:李彩柯天存卢桂新( 曹文熙曹玉红来源:微计算机信息

摘要：本文从内部结构、外部引脚及内部工作寄存器三个方面对8通道24位模数转换器ADS1216进行了介绍，并以海洋光学浮标光学辐照度仪为例，介绍了它的应用。最后给出了ADS1216的一些使用要点及作者的一些设计经验。

关键字：ADS1216 模数转换器光学浮标

1. ADS1216概述

ADS1216是Burr-Brown产品线中的一款新型、高精度、宽动态范围、Δ－∑型8通道24位ADC。通过SPI接口与外界进行信息交换，提供22位有效分辨率，工作电压范围为2.7V－5.25V，可以通过选择内部缓冲提高阻抗，提供全量程电压50%的偏移校正，有内外两种参考电压供给方式。

ADS1216主要应用于工业过程控制、液态/气态色谱仪、血液分析、智能变送器、便携式仪器、压力传感器以及其它一些要求高精度、低功耗的测量仪器中。我们在海洋光学浮标光学辐照度仪^①中使用了这一芯片。

2. 结构及引脚说明

2.1 ADS1216内部功能结构

图1所示为ADS1216的内部功能结构及其外部主要引脚。

由图中可以看出ADS1216主要包括模拟多路开关（MUX）、输入缓冲器（BUF）、可编程增溢放大器（PGA）、二阶Δ－∑调制器、可编程数字滤波器、微控制器、16个状态/控制寄存器、128字节RAM、串行SPI接口、两个8位DAC、内部参考电压产生器以及时钟发生器等工作模块。

模拟多路开关（MUX）可以将片外的八路模拟输入配置为4通道差分或8通道伪差分输入。可编程增溢放大器的增溢范围为1～128， G=1时，提供22位有效分辨率； G= 128时，提供19位有效分辨率；内部缓冲器主要是用在信号通路中隔离开关电容器阵列与外部电路，提高输入阻抗，在使用输入缓冲器时ADS1216的输入变化范围为AGND+0.05V～AV_DD－0.1V。二阶Δ－∑调节器以f_MOD的频率工作，f_MOD时钟频率来自外部时钟f_OSC。片内的数字滤波器主要用来提高AD转换的精度和分辨率，它有三种建立时间，建立时间越长，转换精度、分辨率越高。

2.2 ADS1216的外部引脚

ADS1216的外部引脚总共有48个，它采用TQFP封装，图1所示为其主要引脚。主要包括模拟部分和数字部分。

模拟部分主要包括参考电压输入引脚、八路外部模拟信号输入以及芯片模拟电源输入引脚。ADS1216的参考电压可以通过内部参考电压产生电路供给（范围为1.25V/2.5V），也可以通过外部差动参考电压输入引脚（V_REF+和V_REF-）提供，输入范围在0~2.5V，V_RCAP引脚为内部参考电压提供一个旁路电容以滤除内部参考电压的噪声。八路模拟输入可以通过共同参考AINCOM端配置为8通道伪模拟输入，也可以将任意两个输入配置为差分输入的同相和反相输入端组成四路差分输入。

数字电路部分的引脚主要有SPI串行通讯接口，8个可单独配置的数字I/O口D0……D7，A/D转换同步控制（DSYNC），数据准备就绪（DRDY）等。SPI接口的四线分别为时钟信号线SCLK、数据输入线D_IN、数据输出线D_OUT以及片选线CS，ADS1216只可以作为从器件工作在SPI总线上，同时，通过时钟极性选择端POL引脚控制SCLK的有效极性，从而增大器件使用的灵活性，通过对同步信号DSYNC（低电平有效）或片内寄存器的同步控制位的设置实现对各通道的AD转换过程的同步控制；当所选通道数据寄存器中有有效数据时，DRDY输出有效低电平状态信号； PDWN（低电平有效），当PDWN变为低电平时，ADS1216进入低功耗（1nA）的休眠状态。

3. 主要寄存器及其功能说明

在ADS1216中使用了两种典型的存储器：寄存器和RAM。RAM用作一般意义上的数据存储器，为了与寄存器之间方便的进行数据块传送，128字节划分为8个块，块内16个字节与寄存器的地址一一对应。

16个寄存器直接控制ADS1216的工作过程，而且这16个寄存器可以被直接读写。它们包括了所有用来配置ADS1216的部分，对片内寄存器或RAM的读写都有相应固定的指令格式。整个器件的工作过程的建立是通过对这16个寄存器的设置来完成的。

表1 ADS1216寄存器

地址	名称	复位值
00H	建立寄存器，SETUP	iii01110
01H	多路选择控制寄存器，MUX	01H
02H	模拟控制寄存器，ACR	00H
03H	DAC1满刻度寄存器，IDAC1	00H
04H	DAC2满刻度寄存器，IDAC2	00H
05H	失调寄存器，DAC	00H
06H	数字I/O寄存器，DIO	00H
07H	直接控制数字I/O的寄存器，DIR	FFH
08H	采样频率寄存器，DEC0	80H
09H	模式/采样频率寄存器，M/DEC1	07H
0AH	失调校准寄存器，OCR0（低八位）	00H
0BH	失调校准寄存器，OCR1（中间八位）	00H
0CH	失调校准寄存器，OCR2（高八位）	00H
0DH	满刻度寄存器，FSR0（低八位）	24H
0EH	满刻度寄存器，FSR1（中间八位）	90H
0FH	满刻度寄存器，FSR2（高八位）	67H

下面介绍几个主要寄存器的功能及使用

建立寄存器（SETUP）只有低五位可用，高三位已被厂家使用，该寄存器主要用于设置调节器的时钟速度、内外参考电压选择，以及数据寄存器数据位输出次序。SETUP.4（SPEED）=0，；SETUP.4=1，。SETUP.3（REF EN）=0，使用内部参考电压；SETUP.3=1，选择外部参考电压。SETUP.2(REF HI)＝0，内部参考电压1.25V；SETUP.2=1，内部参考电压为2.5V。SETUP.1（BUF EN）＝0，不使用缓冲器；SETUP.1=1，使用内部缓冲器。SETUP.0(BIT ORDER)=0，数据缓冲器高位在先输出，SETUP.0=1，低位在先输出。

多路选择控制寄存器（MUX），该寄存器分为两部分，高四位选择正相差分输入，低四位选择反相差分输入，当高四位或低四位的最高位为1且其它位不全为1时（高四位的最高位和低四位的最高位不能同时为1），就可以实现八通道伪差分输入，当高四位和低四位全为1时，选择ADS1216内部的温度传感器作为转换信号。

通过模拟控制寄存器（ACR）的低三位（ACR2、ACR1、ACR0）设置PGA的放大倍数，三位可以提供8个放大倍数，增溢步长为2ⁿ（n来自ACR）。

采样时间的变化范围是20～2047（11位）DEC0寄存器是其低八位，而11位中的高三位在M/DEC1寄存器的低三位中，默认的采样频率是10Hz（晶振为2.4576Hz时），M/DEC1的其它位还提供数据寄存器数据准备好状态位以及数字滤波方式的选择。不同的滤波方式在很大程度上影响AD转换的精度。

24位AD转换结果分为三个字节由高到低依次通过SPI接口输出。

3. ADS1216的应用

3.1 ADS1216与单片机C8051F020之间的接口

按照项目的设计需要，我们将该ADC芯片应用到光学浮标表层和水下真光层光学辐照度、辐亮度仪中，用来测量下行光谱辐照度和上行光谱辐亮度。由于上行和下行各测12个波段，所以，为了控制方便，我们采用四片ADS1216，通过一单片机的控制来实现。每个ADS1216完成6个波段的测量。单片机采用美国德州Cygnal公司的C8051F020。它硬件实现了SPI串行接口。因此在与ADS1216进行通讯时，就可以省去采用一般I/O口模拟SPI通讯的烦琐。直接采用F020内部的SPI通讯控制寄存器进行设置就可以很方便的实现与ADS1216的通讯（电路图略）。

图中ADS1216与C8051F020之间的接口信号有SCLK、Din、Dout、CS、数据准备好信号DRDY、A/D转换同步信号DSYNC以及内部缓冲器使能信号BUFFER。其中SCLK、Din、Dout分别连接在F020的P0.2、P0.3、P0.4，这三个引脚通过F020内部的SPI控制寄存器被配置为SPI通讯端口。其它的信号线直接连接在F020的普通I/O口进行位控或状态位读取。