MAX1032結合CPLD的應用

0 引言
本文主要介紹MAX1032采樣芯片以及使用CPLD對MAX1032采樣進行控制的方法。事實上，雖然微控制器也能對MAX1032進行方便的控制，但使用CPLD來控制系統外圍設備，可以節省微控制器的資源，減輕其負擔，同時可以讓其處理更復雜的信息，而利用CPLD對時序進行控制則
更精確。

1 MAX1032的主要功能
MAX1032是美信公司推出的AD采樣芯片MAX1030-MAX1033系列中一款。該系列是采樣范圍可達±12 V的多量程、低功耗、14位逐次逼近型串行輸出模數轉換器(ADC)，數據傳輸符合SPI協議。當采用+5 V單電源供電時，其轉換速率高達115 ksps。
MAX1032內部主要由模擬輸入復用器及多通道電路、控制邏輯和寄存器、可編程增益放大器(PGA)逐次逼近數模轉換器(SAR ADC)、串行I／O(Serial I／O)以及先進先出寄存器(FIFO)等主要模塊構成。
MAX1032的各引腳功能如下：
CH0～CH7：模擬信號輸入端。單端輸入范圍為：O～+6 V、-6 V～0、0～+12 V、-12 V～0和±3V；
±6 V，±12 V，差分輸入，范圍為：±6 V、±12V和±24V；
：片選輸入，低電平有效。只有該端置低，數據才可同步輸入(DIN)或輸出(DOUT)；
DIN：串行數據輸入。為低時，DIN上的數據在SCLK的上升沿輸入片內；
SSTRB：串行觸發輸出。在內部時鐘模式下，SSTRB的上升沿跳變表明轉換完成；在外部時鐘模式下，SSTRB一直為低電平；
SCLK：串行時鐘輸入；
DOUT：串行數據輸出。在為低時，DOUT上的數據在SCLK的下降沿輸出；置高時，DOUT為高阻狀態；
REFCAP：參考電壓旁路端。對于外部參考電壓模式。REFCAP連到AVDD；對于內部參考電壓模式，通過一個0．01μf的電容連到AGNDl；
REF：內部基準電壓輸出或外部基準電壓輸入。在外部參考電壓模式下，REF端可接由外部電路提供的3．800-4．0136 V的基準電壓；在內部參考電壓模式下。REF端與AGNDl端之間必須連接容量為1μF的濾波電容，該端由芯片內部提供4．096 V參考電壓：
DGNDO：數字I／O地；
DGND：數字地；
DVDDO：數字I／O電源輸入。輸入范圍為+2．7～+5．25 V：
DVDD：數字電源輸入；
AVDDl：模擬輸入電源1，輸入范圍為+4．75～+5．25 V：
AVDD2：模擬輸入電源2，輸入范圍為+4．75～+5．25 V：
AGNDl：模擬地1；
AGND2：模擬地2；
AGND3：模擬地3。
設計時，AGNDl，AGND2，AGND3，DGNDO，DGND必須接到一起。

2 MAX1032的工作原理
在使用MAX1032進行采樣前，通常需要確認信號的輸入阻抗在17 kΩ以內。
MAX1032總共有三種工作模式：外部時鐘模式，外部采樣模式和內部時鐘模式。本文將針對。MAX1032的外部時鐘模式并結合CPLD給出實際的應用方案。
外部時鐘模式：以最快的轉換速率達到最大的吞吐量，由用戶直接控制采樣時，CSn在轉換過程中始終為低，這時，用戶可通過SCLK控制A／D的轉換并對結果讀取。SSTRB始終為低，其轉換時序圖如圖1所示。SCLK的周期(tCP)必須在272 ns～62 us之間。其中高低電平寬度均需大于109 ns(tCL，tCH)。在CSn由高變低后的40 ns(tCSS)，可以開始對SCLK上跳沿計數，DIN的輸入建立時間至少40 ns (tDS)，DIN將在SCLK上跳沿時同步輸入(tDH)，SCLK上跳沿之后，將忽略DIN。在CSn變低之后40 ns(tDV)內，DOUT開始有效，而在CSn拉高后40 ns(tTR)內，DOUT將輸出保持高阻態，其時序描述如圖2所示。

在內部時鐘模式，系統將以較快的速率達到最大的吞吐量，并由內部時鐘控制采樣，用戶只需提供一個字節的SCLK，再拉高CSn，即可啟動轉換。和外部采樣模式相同，SSTRB上跳變表示轉換完成，此時，用戶便可提供兩個字節的SCLK來讀取轉換結果。
在外部采樣模式，系統將以最慢的轉換速率達到最大的吞吐量，并由用戶直接控制采樣，用戶可提供兩個字節的SCLK，再將CSn拉高，以啟動轉換。SSTRB上跳變表示轉換完成，用戶提供兩個字節的SCLK可讀取轉換結果。
MAX1032總共有三個控制字：模擬輸入配置字、模式控制字和轉換啟動字。圖2所示是模擬輸入控制字和模式控制字的工作時序圖。三個控制字均為8位。
對于模擬輸入配置字，DO～D2是選擇量程的，MAX1032總共有10種量程可以選擇；D3是差分／單端選擇位，為低表示采樣信號為單端輸入．為高表示差分輸入。D4～D6是輸入通道選擇，總共有8個采樣通道。D7是字開始位，置高表示字輸入開始。
對于模式控制字，D0～D2必須為低，D3必須為高。D4～D6用于工作狀態選擇，總共有6種工作狀態。D7是字開始位，同樣，置高表示字輸入啟動。
轉換啟動字D7是字開始位，D4～D2是輸入通道選擇。用法和模擬輸入配置字相同，操作時DO～D3必須為低。
三個控制字的輸入順序是模擬輸入配置字，模式控制字，轉換啟動字。

3 硬件設計
圖3所示是本系統的結構框圖。由圖3可見，模擬采樣信號先經過一個運放。運放的作用是降低輸入阻抗。以達到MAX1032輸入阻抗小于17kΩ的要求。之后，再將利用CPLD控制MAX1032進行采樣，采樣結果回送至CPLD，之后經過處理后的數據傳到系統，由系統再將一系列二進制數換算成最終的結果。框圖里的系統可以是嵌入式微控制器，也可以是數字輸入輸出卡等控制系統。

圖4所示是MAX1032的應用電路圖。由于MAX1032只允許輸入阻抗小于17 kΩ，而有的采樣信號不一定能滿足這一要求，故需要對采樣信
號進行一定處理，以降低信號的輸出阻抗。由于射極跟隨器的輸出阻抗趨于零，故將待采樣信號連到射極跟隨器上可以有效降低其輸出阻抗。本文選用的運放為OP07，該運放具有很低的輸入失調電壓和漂移，而且精度相當高，適合作為模擬信號前置運放。如將OP07接成負反饋模式，使輸出等于1+R1／R2，并將滑動變阻器R1調至0Ω，那么它就可以當做電壓跟隨器使用。