高精度數模轉換器AD420及其與MSP430的接口技術

1 概述
AD420是ADI公司生產的高精度、低功耗全數字電流環輸出轉換器。AD420的輸出信號可以是電流信號，也可以是電壓信號。其中電流信號的輸出范圍為4mA~20mA，0mA~20mA或0mA~24mA，具體可通過引腳RANGE SELECTl，RANGE SELECT2進行配置。當需要輸出電壓信號時，它也能從一個隔離引腳提供電壓輸出，這時需外接一個緩沖放大器，可輸出0V～5V，0V~10V，5V或10V電壓。
AD420具有靈活的串行數字接口(最大速率可達3.3 Mb/s)，使用方便、性價比高、抑制干擾能力強，非常適合用于高精度遠程控制系統。AD420與單片機的接口方式有2種：3線制和異步制。單片機系統通過AD420可實現連續的模擬量輸出。其主要特點如下：
寬泛的電源電壓范圍為12 V~32 V，輸出電壓范圍為0V~-2.5 V；
帶有3線模式的SPI或Microwire接口，可采集連續的模擬輸入信號，采用異步模式時僅需少量的信號線；
數據輸出引腳可將多個AD420器件連接成菊鏈型；
上電初始化時，其輸出最小值為0 mA，4 mA或O V；
具有異步清零引腳，可將輸出復位至最小值(0mA、4 mA或0V)；
BOOST引腳可連接一個外部晶體管來吸收回路電流，降低功耗；
只需外接少量的外部器件，就能達到較高的精度。
AD420采用24引腳SOIC和PDIP封裝，表1是其引腳功能說明。

2 工作原理
在AD420中，二階調節器用于保持最小死區。從調節器發出的單字節流控制開關電流源，兩個連續的電阻電容裝置進行過濾。電容為電流輸出額外增加的器件。輸出電流則簡單顯示為4 mA～20 mA，OmA～20mA或0mA～24mA。AD420采用BiCMOS工藝，能夠適合高性能的低電壓數字邏輯和高電壓模擬電路。
如果需要，AD420同樣能夠提供電壓輸出代替電流環輸出。增加了一個額外的電壓放大器使用戶得到OV~5 V，0V～10V，5V或10V的電壓。
AD420有一個環路故障檢測電路。當開環或者供電電壓不足使IOUT電壓超過限制電壓時會產生警報。故障檢測端為低電平觸發，所以可以用一個上拉電阻器同時連接至多個AD420的故障檢測端，上拉電阻器可以接至VLL端或外接5 V邏輯電壓。
IOUT電流由一個PMOS晶體管和內置放大器控制。內置電路提供故障輸出，避免使用窗口限制比較器，這就要求在故障檢測端輸出有效之前需要一個實際的誤差輸出。反之，當AD420輸出級的內置放大值低于l V的驅動值時，信號就會產生。因此，故障輸出端在跳轉限制達到要求之前保持不變。由于比較在輸出放大反饋網絡內進行，輸出精度通過開環增益保持穩定，在故障檢測輸出變為有效之前沒有輸出誤差。3個數字接口，包括數據輸入、CLOCK、LATCH。如果用戶想要使本質安全應用電路具有最少的流電隔離器數目，可將AD420配置在異步模式下工作，這種模式可將LATCH通過一個限流電阻連接到Vcc來實現。數據的值通過O，1進行組合來構造信息并觸發LATCH信號。
2.1 時序操作
如圖1所示，AD420采用∑-△架構進行A/D轉換，由于其內部結構固有的單調性以及高分辨率，因此特別適合工業控制環境的相對低帶寬需求。

2.2 電流模式輸出
如圖2所示，AD420在不需要任何外部有源器件的情況下能提供4 mA~20 mA、0 mA~20 mA及0mA~24mA電流輸出。濾波電容Cl和C2可選擇低成本的陶瓷電容。為了滿足滿量程3 ms的快速響應，應選用低電介質吸收電容，其中C1=O.OlμF，C2=0.0lμF。
2.3 電壓模式輸出
如圖3所示，由于AD420是一個單電源器件，必須在VOUT引腳增加一個外部緩沖放大器。其兩級電壓輸出范圍如表2所列。

2.4 可選范圍及零點調整
用戶若希望獲得低于指定值的偏移和增益誤差，可用圖4給出的簡單方法來調整這些參數。選用低漂移電阻要謹慎，因為它們會影響DAC的溫度漂移性能。調整算法采用迭代法。在4 mA～20 mA模式下，AD420的參數調整方法如下所示：
1)偏移調整。設所有輸入為0，調節調零電阻(RZERO)使輸出電流為4.00000 mA。
2)增益調整。設所有輸入為1，調節調零電阻(RZERO)使輸出電流為19.99976 mA。
重復第一和第二步，直到兩端的精度都達到要求。
在BOOST引腳以及電源之間連接一個5 kΩ電阻(RSPAN2)可使增益提高+0.8％。
由于RSPAN電阻可變化到最大值500 Ω，在RSPAN電阻和基準輸入電阻(30 kΩ)的作用下，基準輸入端電壓將受到影響。當調整RSPAN2電阻的大小時，三者共同影響將使基準輸入電壓誤差在-O.8％~+0.8％范圍內變化。

3 基于MSP430的接口應用及編程
硬件接口電路如圖5所示。MSP430的串口通信模塊可用兩種方式實現：一是直接采用硬件通用串行同步/異步模塊(USART)；二是通過定時器模塊實現串口通信功能。這兩種方式有很大的區別：前者USART模塊是在一系列寄存器設置后，由硬件自動實現數據的移進和移出來完成串行通信的功能，同時還能實現兩種通信協議，即UART異步通信協議和SPI同步通信協議；后者是在定時器的作用下，人工通過用戶軟件控制，逐位地將數據由端口發送或接收，因此常稱為軟件串行口。

MSP430的發送或接收主要是移位寄存器在起作用。兩個緩存器都是采用移位寄存器加緩存的結構。接收時，當移位寄存器將接收來的數據位流組合滿一個字節后，保存到接收緩存URXBUF；發送時，是將發送緩存UTXBUF內的數據逐一送至發送端口。發送和接收兩個移位寄存器的移位時鐘都是波特率發生器產生的時鐘信號BITCLK。MSP430的接收和發送分別使用兩個寄存器，為全雙工。
對于沒有SPI總線的單片機，可用MSP430的I/0口模擬SPI總線，程序如下：

MSP430x13x系列的硬串口具有SOI模式，編程更為簡單，其初始化程序如下：