同步采樣A／D轉換器AD7262原理及應用-設計應用

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AD7262是一款逐步逼近式(SAR)模數轉換器(A／D轉換器)。其內部有2個跟蹤保持放大器，2個12位的同步采樣A/D轉換器，2個可編程的放大器以及2組比較器和2個獨立的數據輸出引腳。適用于汽車控制領域及要求高同步、需簡單運算的微弱信號檢測應用。因此，這里詳細介紹同步采樣MD轉換器AD7262原理及應用。

2AD7262簡介

2．1主要特點

AD7262具有高速低功耗同步采樣，可達1MS／s。其內部集成的可編程放大器PGA有14種放大增益可供選擇。兩組比較器A、B和C、D用作電機控制或各種電極傳感器的運算器。其中比較器A和B具有低功耗特點，比較器C和D具有高速特點。雙通道差分輸入同時采樣和A／D轉換，輸入阻抗大于1GΩ。單電源+5V供電。PGA增益為2,-3dB帶寬為1．7MHz，信噪比SNR為73dB；其增益為32時，信噪比為66dB。輸入直流漏電流±0．001μA，失調漂移為2．5μV／℃。帶有串行外設接口SPI，兼容QSPI，MICROWIRE，DSP。該器件具有多種節(jié)能模式，動態(tài)匹配所需內部模塊，具有寄存器控制和引腳驅動兩種工作方式。

2．2引腳功能

AVcc：模擬電源輸入端，4．75～5．25V；

CA_CBVCC／CC_CDVCC：比較器的電源輸入端，2．7～5．25V；

CA_CB_GND／CC_CD_GND：比較器的地輸入端；

VA+/VA-,VB+／VB-：A／D轉換器A和B通道的差分模擬輸入端；

VREFA／VREFB：A／D轉換器A和B通道的基準電壓輸入輸出端；

SCLK：串行時鐘，SPI通訊時鐘，也是A／D轉換過程的時鐘源；

CAL：初始化內部失調校準邏輯輸入；

PD2：節(jié)能模式選擇邏輯輸入；

PD1：節(jié)能模式選擇邏輯輸入；

PD0／DIN：節(jié)能模式選擇邏輯輸入，同時在寄存器控制模式下為數據輸入端；

CS：片選輸入端；

CA+/CA-,CB+/CB-：比較器A和B的差分輸入端；

CC+／CC-，CD+/CD-：比較器C和D的差分輸入端；

AGND：模擬地輸入端；

DGND：數字地輸入端；

COUTA～COUTD：比較器CMOS推拉輸出，使用VDRIVE時，為數字輸出端；

DOUTA／DOUTB：A／D轉換串行數據輸出端；

G0～G3：增益倍數邏輯輸入端，當全為低電平時，為寄存器控制工作方式；

VDRIVE：邏輯電源輸入端，2．7～5．25V；

REFSEL：基準電壓選擇端，高電平使用內部基準電壓，低電平使用外部基準電壓。

2．3內部結構

圖1為AD7262的內部結構圖。兩路差分信號通過各自的PGA同步采樣放大后，進入跟蹤保持器，此時由控制邏輯控制2個12位的逐次逼近型A／D轉換器實現模擬數字轉換，由輸出驅動器分別串行驅動輸出至DOUTA和DOUTB。

在引腳驅動方式下，G0～G3必須至少有一個高電平。外接的G0～G3決定PGA的放大倍數。PD2～PD03個端口電平控制其內部比較器和12位的A／D轉換器各模塊的使用或關閉。在寄存器控制方式下，PD2，PD1，G0～G3全為低電平。PD0／DIN為數據輸入端，用于寫入相關控制寄存器，動態(tài)配置放大倍數、校準和節(jié)能模式。AD7262以2的補碼輸出轉換結果。

2．4自動校準

自動校準是AD7262的主要特點之一。利用CAL引腳校準設備失調。設置CAL為高電平，在下一個CS下降沿完成初始化校準值。失調校準的完成需要一個完整的轉換周期，包括CS下降沿后的19個SCLK周期。如果需要，CAL可保持多于一個轉換周期的高電平，且此時AD7262繼續(xù)校準。也可使用控制寄存器初始校準值，設置控制寄存器的CAL位為1即可實現。注意在下一個CS下降沿，校準會被初始化，AD7262的當前轉換就失去意義。其A/D轉換器必須處于工作狀態(tài)來完成內部校準。

A/D轉換器A和B通道具有獨立的外部增益寄存器用以校準信號增益。增益校準寄存器有7位，改變該寄存器以補償增益。MSB是符號位，其他6位為存儲增益倍數，用于調整模擬輸入信號的范圍，其校準精度是1/4096。

3典型應用

3．1硬件設計

圖2為AD7262與ARM處理器LPC2378的典型應用電路，實現直流電法勘探中電極A、B電流和電極M、N電壓的采集。采用金屬膜電阻作為采樣電阻以提高測量精度。由于A、B電極之間電壓是對大地供電的電極電壓，一般大于100V，前端電極中都有高壓隔離電路，該采樣電阻阻值一般小于100Ω。AD7262工作在寄存器控制方式。在LPC2378的P0．15提供的SCLK的控制時序下，通過P0．18向AD7262的控制寄存器寫入相關數據。CS進入低電平狀態(tài)后，首先由P0．18寫入相關寄存器數據，再開始采樣保持并轉換輸出。在寫入寄存器時，DOUTA和DOUTB輸出為三態(tài)。

AD7262主要通信方式為SPI四線式。由于AD7262無法控制何時通信，故只能工作在從模式下。主控制器LPC2378的P0．15提供通訊時鐘信號SCLK。CS為片選輸入。DOUTA或DOUTB為SPI的數據輸出端。SPI的數據輸入端為PD0／DIN。電路設計時，通過LPC2378向AD7262內部寫入相關數據來實現各類動態(tài)配置。圖3和圖4為串行接口讀寫時序圖。串行時鐘SCLK提供轉換時鐘及AD7262轉換后傳輸信息的控制。對于片內2個A／D轉換器，AD7262有相應的2個輸出引腳。數據從AD7262的DOUTA和DOUTB讀取。用戶可選用其中一個輸出數據。

在CS下降沿，跟蹤保持器處于保持模式。此時，采樣、轉換同時被初始化模擬輸入。這需要至少19個SCLK周期。第19個SCLK的下降沿到來時，AD7262恢復至跟蹤模式，并設置DOUTA、DOUTB為使能。數據流由12位組成，MSB在前。轉換結果MSB在SCLK第19個周期的下降沿由微控制器在第20個時鐘SCLK的下降沿或上升沿讀取。上升沿還是下降沿取決于所使用的SCLK的頻率。如SCLK頻率為40MHz時，其讀取數據時間是23ns，則導致2ns的建立時間。而這2ns的建立時間無法與微控制器匹配。在這種情況下，就需要在時鐘SCLK的上升沿開始讀數據。這樣，轉換結果的MSB位在第19個SCLK下降沿，延遲15ns，并在第20個周期SCLK的上升沿才被讀出。依此類推，至第30個SCLK下降沿A／D轉換器輸出LSB，在第31個SCLK上升沿讀出。反之，如果SCLK為32MHz時，則下降沿讀數據。在設計中SPI的通信時鐘頻率(LPC2378的P0.15)小于32MHz，所以在時鐘的下降沿由LPC2378讀寫數據。為提高系統的精度和穩(wěn)定性，可加入一定阻值的耦合電容。

3．2軟件設計

AD7262內含6個寄存器，分別是A／D轉換器的結果寄存器、控制寄存器、A／D轉換器A和B的內部失調寄存器、A／D轉換器A和B通道的外部增益寄存器?？刂萍拇嫫鞴灿?2位，其中，RD3～RD0是寄存器選擇位。

由于LPC2378和AD7262都兼容SPI接口，兩者的編程只需按照時序圖進行即可。此外LPC2378還有許多其他類型接口，所以便于實現網絡化,詳細流程參見圖5。

軟件設計中需要注意：CAL引腳在CS為低電平前必須至少保持2μs高電平以確保個轉換周期中校準的準確性。如果在這段時間內，CAL出現低電平，將導致校準結果不準確。但如果繼續(xù)為高電平，下一個校準轉換則是準確的。另外在A／D轉換過程中，CAL若出現高電平，轉換結果也將不正確。AD7262的校準是在測量過程中，A／D轉換前進行的。在測量過程中先校準再采樣保持。與編程寫寄存器，在時序上要分開。此外使用SPI接口，只有硬件復位是不夠的，還要使用軟件復位以保證讀寫數據的正確性。實際應用中，要將數字和模擬部分地線隔離。整個軟件部