高精度單片數據采集系統MAX1400的原理及應用

摘要：MAX1400是美國MAXIM公司推出的一種基于∑-△A/D轉換技術的高精度單征數據采集系統芯片。文中介紹了它的工作原理、內部結構及編程要點，并給出了MAX1400應用在壓力變送器中的一種典型應用電路。

關鍵詞：數據采集系統 A/D轉換 ∑-△A/DC MAX1400

傳統的數據采集系統大多采用Nyquist率ADC（積分型、逐次比較型、閃爍型等），當需要較高分辨率時（16bit以上），這些傳統的A/D轉換技術將面監很多困難，因為它們需要復雜的高階模擬抗混迭濾波器、定時以及幅度誤差都極小的采樣-保持電路等，因而實現起來困難較大，成本很高。新型的∑-△A/D轉換技術能夠比較低的成本獲得極高的分辨率（16bit以上），但速度不易做得很高，這一點非常符合不需要很高速率，但要求較高分辨率的數字音響產品，因而首先在音頻領域得到了廣泛應用。大多數數據采集系統對轉換速率的要求低于音頻，但精度要求較高，也很適合采用∑-△結構的ADC。為此，很多模擬器件制造商開發了專用于數據采集領域的∑-△ADC，并將數據采集普遍需要的模擬前端功能集成在一起，如多路復用器、可編程增益放大器（PGA）、增益及零點校正等。這樣，整個數據采集系統只需單片IC即可實現，可以直接處理傳感器輸出的微弱信號，而且在簡化設計的同時提高了系統性能并降低了成本。這類產品中具有代表性的有ADI的AD7714系列，Cirrus Logic的CS5521系 列，Maxim的MAX1400系列等。本文以MAX1400為例簡單介紹這類IC的性能特點及應用要點。

1 內部結構

圖1所示為MAX1400系列及其它同類產品普遍采用的結構。核心部分是一個高分辨率∑-△ADC（MAX1400為18bit），前端包括一個用來切換采樣通道的多路復用器、用于隔離信號源內阻和后級電路輸入阻抗的輸入緩沖器；以及用來將低電平輸入信號放大到適合A/D轉換水平的程控增益放大器（PGA）。

除此之外，MAX1400內部還提供了一個小電流源，在進行系統自檢時可以將其接入輸入通道來檢測傳感器的完整性。三個獨立的DAC用來校正三路輸入信號中的直流成分，以使輸入信號落在ADC的量程以內。

居于核心位置的∑-△ADC由一個二階∑-△調制器和數字抽取濾波器組成，時鐘產生及分頻電路用于為ADC提供操作時鐘。由多路開關選出的輸入信號經緩沖、放大后送入∑-△調制器?！?△調制器對輸入信號以遠大于Nyquist率的速度進行“過采樣”，并將各樣本轉化為1bit分辨率的高速碼流。同時對量化噪聲頻譜化“成形”處理，從而使大部分中量化噪聲轉移至基帶以外。接下來，由數字抽取濾波器濾除帶外噪聲，再從高速碼流中抽取出低速、高分辨率的碼流。上述各部分電路受控于一個內部控制邏輯?？刂七壿嬐ㄟ^串行接口接收用戶控制命令并設置各部分電路的工作狀態及參數，最后將轉換結果通過串口送出。

2 編程要點

MAX1400內部各部分電路的工作狀態由一組內部寄存器控制。這些內部寄存器包括8個可單獨尋址的寄存器。其中，通信寄存器主要控制對內部寄存器的訪問（尋址、讀/寫模式選擇）；兩個全局設置寄存器主要用來選擇模擬輸入通道、設置∑-△調制頻率、數字抽取濾波器抽取因子、數字濾波器頻率響應和其它工作狀態；特殊功能寄存器用于控制整個器件的關瘍；三個傳輸函數寄存器分別用來設置對應于三個模擬輸入通道的PGA增益和DAC偏移量；一個24bit的數據寄存器用于保存轉換結果。一般情況下，每次訪問MAX1400之前都要首先向通信寄存器寫入一個8bit控制碼，以便選定所要訪問的寄存器以及讀/寫操作模式。只有一種情況例外，那就是當MAX1400工作在掃描模式時（全局設置寄存器中的SCAN位置1），在每次轉換完成后可以直接讀取24bit數據寄存器，而不必重新設置愛信寄存器。對于MAX1400的編程大體可分為四個方面：系統工作模式選擇、模擬輸入通道選擇、通道增益和偏移量設置以及∑-△ADC工作參數設置。

系統工作模式選擇通過編程通信寄存器、全局設置寄存器和特殊功能寄存器中的相位控制位來實現。MAX1400具有自動掃描所有通道和連續采樣選定通道兩種主要工作方式。另外還具有待機和掉電兩種省電模式。

模擬輸入通道選擇通過編程全局設置寄存器1和2中的A1、A0、M1、M0和DIFF位來實現。通過這些控制位的編程，可以設定輸入多路轉換開關的工作方式（單端或差分），并選定需要采樣的通道。

通道增益和偏移量由傳輸函數寄存器控制。三個傳輸函數寄存器分別對應于三個模擬輸入通道，每個寄存器內均包含有設定PGA增益和DAC偏移量的代碼。通過增益和偏移量的編程，可以將輸入信號動態范圍調整到ADC的量程之內，以充分利用ADC的有效測量范圍。

對∑-△ADC工作參數的編程直接影響到整個數據采集系統的精度、速率和功耗等關鍵特性，這是該種類型的ADC所特有的?！?△ADC主要由三部分組成：時鐘產生電路，∑-△調制器和數字抽取濾波器。相應 軟件編程也分為三個方面：時鐘頻率選擇，調制頻率選擇，數字抽取因子和濾波器選擇。時鐘頻率選擇包括兩個編程位：CLK和X2CLK，CLK用于選擇兩種系統默認的時鐘頻率之一（1.024MHz或2.4578MHz）；X2CLK用于控2分頻器，X2CLK=1時分頻器使能，允許選擇二倍于內部時鐘頻率的晶振或外部時鐘。調制頻率和調制頻率，對應于兩種內部時鐘總共有8種調制頻率可選。調制頻率越高，相應的轉換精度和轉換速率越高，但功耗也越大。數字濾波器抽取因子由FS1、FS0兩閏控制，它們直接影響到轉換精度、轉換速率和濾波器的陷波頻點。如圖2所示，數字抽取濾波器頻率響應為梳狀態濾波器，第一個陷波頻點正好正應于數據輸出速率，將陷波頻點設置在工頻位置將有利于抑制工頻及其諧波的干擾。另外還有一個控制位FAST用來設置濾波器階數。FAST=1時執行一階梳狀濾波（NINC1），FSAT=0時執行三階梳狀濾波（NINC3）。該位不影響數據輸出速率和濾波器頻響外形（陷波頻點），只影響濾波器滾降速率（頻寬）。當選擇SINC1濾波時系統具有比較高的影應速率，在輸入發生跳變時只需一個轉換周期輸出即可達到穩定。SINC3濾波響應較慢，對于輸入階躍需要三個以上轉換周期的輸出建立時間，但具有較高的轉換精度。有關時鐘頻率、調制器和抽取因子編程與輸出數據速率的關系見表1所列。

表1 數據輸出速率與時鐘頻率、調制器頻率位、濾波器選擇的關系

圖3所示為MAX1400的編程及轉換結果讀取程序流程。該流程中MAX1400被設定為單通道連續采樣模式。

3 典型應用

MAX1400采用SPI/QSPI兼容的三線串行接口，非常節省CPU的I/O口，也便于采用光電隔離，它的工作電流較低，比較適用于便攜式測量儀表、4～20mA環路供電的變送器、壓力變送器等領域。圖4所示為MAX1400在壓力變送器中的典型應用。該應用中采用同一個電源來產生傳感器橋路激勵電流和參考電壓，這樣在電源電壓發生變動時它們所受到的影響能相互抵消，因此降低了對電壓穩定度的要求，可以用同一個電源為MAX1400供電，同時產生橋路激勵電流和參考電壓。