朱旭芳+朱小芳

摘要：從芯片內(nèi)部結構、外部引腳及內(nèi)部工作寄存器3個方面對4通道24位模數(shù)轉換器AD7190進行了介紹，并以磁場測量系統(tǒng)為例，介紹了芯片應用。

關鍵詞：模數(shù)轉換器；低噪聲；磁場測量系統(tǒng)

中圖分類號：TP301

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2015）003-0024-02

0 引言

AD7190是ADI公司推出的一款超低噪聲24位∑—Δ型模數(shù)轉換器（ADC）[1]，主要應用于電子秤、壓力測量、溫度測量、應變計傳感器以及其它一些要求精度高、功耗低的測量儀器中。本文在磁場測量系統(tǒng)中使用這一芯片。該芯片可以配置為兩路差分輸入，也可以配置為4路偽差分輸入。芯片內(nèi)部各通道序列器可以通過使能端控制多個通道，自動按順序在各路使能通道上執(zhí)行轉換，從而大大簡化了芯片與器件的通信方式。芯片內(nèi)部高精度4.92 MHz時鐘可以用作模數(shù)轉換的時鐘源，根據(jù)實際采樣頻率的需要也可以使用外部時鐘或晶振。該器件的數(shù)據(jù)輸出速率介于4.7 Hz～4.8 kHz[1-4]。

1 AD7190結構及功能

1.1 AD7190內(nèi)部功能結構

AD7190的內(nèi)部功能結構及其外部主要引腳如圖1所示。 AD7190主要包括模擬多路開關（MUX）、可編程增益放大器（PGA）、可編程數(shù)字濾波器、溫度傳感器、內(nèi)部緩沖器、狀態(tài)/控制寄存器、串行SPI 接口、內(nèi)部參考電壓產(chǎn)生器以及時鐘發(fā)生器等工作模塊。其中，模擬多路開關（MUX）用于將片外的四路模擬輸入配置為2通道差分輸入或4通道偽差分輸入[5-7]。其中，可編程增益放大器的增益范圍為1～128， 不同的增益有效分辨率不一樣。當G=1時，提供22位有效分辨率； 當G=128時，提供19位有效分辨率。內(nèi)部緩沖器的主要作用是在信號通路中隔離開關電容器陣列與外部電路，從而提高輸入阻抗。使用輸入緩沖器時，AD7190 的輸入變化范圍應為AGND+0.25V～AVDD-0.25V。此外，片內(nèi)濾波器的選擇會影響編程輸出數(shù)據(jù)速率的均方根噪聲和無噪聲分辨率、建立時間以及50 Hz/60 Hz抑制。

1.2 AD7190的外部引腳

AD7190采用TSSOP封裝，其外部引腳共有24個。圖1為主要外部引腳，包括模擬部分和數(shù)字部分。引腳按功能可分為模擬和數(shù)字兩種類型。模擬部分主要包括參考電壓輸入引腳、四路外部模擬信號輸入以及芯片模擬電源輸入引腳。芯片參考電壓可通過內(nèi)部參考電壓產(chǎn)生電路供給，也可通過外部差動參考電壓輸入引腳VREF+和VREF-提供。四路模擬輸入可通過AINCOM 端配置為4 通道偽差分輸入，也可以將任意兩個輸入配置為差分輸入的同相和反相輸入端，組成兩路差分輸入。

數(shù)字電路部分的引腳主要有DIN、DOUT/、SCLK。通過DIN引腳將串行數(shù)據(jù)送到AD7190上的輸入移位寄存器上，用于控制和配置AD7190。DOUT/為串行數(shù)據(jù)輸出和數(shù)據(jù)輸出準備的復用引腳，可從這個引腳上讀出ADC的串行數(shù)據(jù)。SCLK為串行時鐘引腳，內(nèi)帶施密特觸發(fā)器。

2 AD7190內(nèi)部寄存器

控制AD7190采樣所涉及的片上寄存器主要有通信寄存器（Communications register，CR）、狀態(tài)寄存器（Status register，SR）、模式寄存器（Mode register，MR）、配置寄存器（Configuration register，CON）、數(shù)據(jù)寄存器（Data register，DR）。

通信寄存器是一個8位的只寫寄存器，通信寄存器的數(shù)據(jù)決定了下一步要進行的操作類型與硬件地址[8-11]。

狀態(tài)寄存器是一個8位的只讀寄存器，通過觀察狀態(tài)寄存器，可以判斷ADC是否正常工作。模式寄存器可設置工作模式、采樣率、時鐘源、濾波器等。

AD7190有兩種工作模式，當模式寄存器的MR21～MR23被設置為001（二進制）時，AD7190為單次采樣模式。在此模式下，每次轉換都需要一個完整的濾波器建立時間。轉換完成后芯片發(fā)出轉換完成信號（RDY引腳低電平），同時進入空閑模式（Idle mode）。而當模式寄存器的MR21～MR23被設置為000（二進制），同時MR11置位時，AD7190為連續(xù)采樣模式。每次采樣都要重新建立濾波器，每次采樣完成后自動開始下一單次采樣，而不是空閑模式。本文磁場測量系統(tǒng)AD7190為單次采樣模式，數(shù)據(jù)輸出速率為320SPS，調(diào)節(jié)時間為6.25ms，采樣率控制基于單片機Timer_A的定時中斷。

配置寄存器可設置單/雙極性模式、緩沖器使能、參考電壓源選擇、增益、通道選擇等。本系統(tǒng)AD7190工作為非緩沖模式，增益為1，5V參考電壓，雙極性模式測量[12-13]。

數(shù)據(jù)寄存器是24位只讀寄存器，單片機從AD7190讀到的數(shù)據(jù)Code與ADC輸入電壓AIN關系如下：

3 AD7190 應用

將該AD7190芯片應用到某磁場測量系統(tǒng)中，用來測量磁場強度。

由于采用的磁通門磁傳感器能同時測量互相垂直的三軸磁場分量，考慮控制方便，系統(tǒng)采用了3片AD7190，為保證采樣信號同步，3片AD7190均由同一塊單片機控制。每個AD7190完成一個分量磁場信號的采集[14-15]。單片機采用美國德州儀器公司的MSP430F2618[2]。其中，測量系統(tǒng)程序流程如圖2所示。按照前述芯片使用方法，很好地完成了三路信號采集。

4 結語

在設計及實驗過程中，除根據(jù)數(shù)據(jù)手冊操作外，制作電路時必須注意以下細節(jié)，否則難以達到理想效果。

（1）設計印刷電路板時，如果芯片使用的是外部晶振，應盡可能使其靠近AD7190。實驗中發(fā)現(xiàn)，晶振離AD7190 越遠，其輸入時序的輻值越小，達不到芯片工作所需的高低電平要求。如時序輻值太小，可以通過減小接入晶振兩端的電容來增大其輻值。但所采用的電容范圍應在0～20pF 之間。

（2）使用SPI 通訊時必須特別注意單片機和AD7190中SCLK的極性。

（3）在模數(shù)轉換過程中，為得到穩(wěn)定的轉換結果，每次改變通道發(fā)送同步信號前，應先增加一段延時，該延時時間不能固定，應隨AD 采樣頻率和濾波方式的變化而變化。

（4）在AD7190 片外要將其模擬地和數(shù)字地連接在一起，中間用磁珠隔開，否則AD7190 將無法正常工作。

參考文獻：

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（責任編輯：陳福時）