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具有溫度補(bǔ)償功能的多通道A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX1230
摘要：MAX1230是MAXIM公司推出的具有溫度補(bǔ)償功能的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，它采用+5V單電源供電，具有16個(gè)輸入通道，功耗低，工作方式靈活多樣。文章介紹了它的主要特點(diǎn)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作過程，并結(jié)合MAX1230在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用給出了典型設(shè)計(jì)電路。關(guān)鍵詞：MAX1230;A/D轉(zhuǎn)換；采樣保持；串行輸出；溫度補(bǔ)償
1 MAX1230的主要特點(diǎn)
對(duì)于在野外工作的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，由于環(huán)境的影響和條件的限制，往往需要系統(tǒng)具有比較低的功率消耗，同時(shí)應(yīng)帶有溫度補(bǔ)償?shù)裙δ�，因此，筆者在繼電保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用MAX1230來完成A/D轉(zhuǎn)換功能。MAX1230是MAX-IM公司2003年推出的一種低功耗、可進(jìn)行溫度補(bǔ)償并帶有采樣保持功能的多通道12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源、時(shí)鐘電路和溫度傳感器，具有16個(gè)模擬輸入通道，可實(shí)現(xiàn)輸入通道掃描、輸出數(shù)據(jù)平均和自動(dòng)關(guān)斷功能，此外，該芯片還具有一個(gè)高速的串行接口。與其它的模數(shù)轉(zhuǎn)換器相比，MAX1230具有較多的功能，且工作方式靈活多樣，可應(yīng)用于系統(tǒng)監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集、病人監(jiān)護(hù)、工業(yè)控制和儀器制造等多種領(lǐng)域。
MAX1230的主要特點(diǎn)如下：
●所有輸入通道均可按單端或差分方式進(jìn)行配置，單端方式下可配置為16個(gè)通道，差分方式下可配置為8個(gè)通道；
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●轉(zhuǎn)換速率可達(dá)300kSPS,此時(shí)的功耗僅為1.8mW;
●在整個(gè)溫度范圍內(nèi)不會(huì)丟碼，精度為±1LSB INL和±1LSB DNL;
●采用單電源+5V供電，內(nèi)部具有4.096V的基準(zhǔn)電壓和時(shí)鐘電路，也可使用外部差分基準(zhǔn)或外部時(shí)鐘輸入；
●具有10MHz可兼容SPI/QSPI/MICROWIRE的接口；
●工作溫度范圍為-40——+85℃，且內(nèi)部帶有精度為±1℃的溫度傳感器，同時(shí)可進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
2 MAX1230的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
MAX1230的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由跟蹤/保持放大器（T/H）、12位逐次逼近型ADC、控制邏輯、內(nèi)部時(shí)鐘、串行接口、先入先出寄存器（FIFO）、內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源和溫度傳感器等組成。
3 MAX1230的引腳排列
MAX1230有24腳QSOP和28腳QFN兩種封裝形式，其引腳排列如圖2所示。各引腳的功能如下：
AIN0——AIN15:模擬量輸入；
REF-:使用外部差分基準(zhǔn)源時(shí)的負(fù)輸入，與A14復(fù)用；
CNVST:“轉(zhuǎn)換開始”信號(hào)輸入，低電平有效，與A15復(fù)用；
REF+:基準(zhǔn)電壓源的正輸入，該腳和地之間要加0.1μF的電容；
GND:接地腳；
VDD:電源輸入，電壓范圍為4.75——5.25V,它和地之間應(yīng)加0.1μF的電容；
SCLK:串行時(shí)鐘輸入，用作采樣和轉(zhuǎn)換，使用外部時(shí)鐘時(shí)，其頻率范圍為0.1MHz——4.8MHz,當(dāng)其作為讀寫串行數(shù)據(jù)的時(shí)鐘頻率時(shí)，可達(dá)到10MHz,占空比范圍為40%——60%;
CS:片選端，低電平有效；
DIN:串行數(shù)據(jù)輸入，輸入的串行數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿被鎖存。通過SCLK、CS、DIN三根信號(hào)線可組成與SPI/QSPI/MICROWIRE相兼容的串行輸入接口；
DOUT:串行數(shù)據(jù)輸出，它與SCLK的下降沿同步。當(dāng)CS為高電平時(shí)，DOUT為高阻態(tài)；
EOC:“轉(zhuǎn)換結(jié)束”標(biāo)志輸出，當(dāng)它變?yōu)榈碗娖綍r(shí)表明轉(zhuǎn)換結(jié)束，輸出數(shù)據(jù)有效。
4 MAX1230的工作過程
4.1 轉(zhuǎn)換參數(shù)的配置
MAX1230的工作方式由其內(nèi)部的控制寄存器決定，這些寄存器主要有轉(zhuǎn)換方式寄存器、工作方式寄存器、均值方式寄存器和復(fù)位寄存器等。工作時(shí)，首先要對(duì)這些寄存器進(jìn)行正確配置，配置參數(shù)可通過MAX1230的串行口寫入。在進(jìn)行配置時(shí)，CS置為低電平，配置參數(shù)從DIN引腳輸入，并在串行時(shí)鐘SCLK的上升沿被鎖存，此過程中，SCLK的頻率不能高于10MHz.表1所列是這幾個(gè)寄存器的參數(shù)定義。下面是對(duì)它們的具體說明。
表1 MAX1230主要寄存器的參數(shù)定義
寄存器名稱 BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0 轉(zhuǎn)換方式 1 CHSEL3 CHSEL2 CHSEL1 CHSEL0 SCAN1 SCAN0 TEMP 工作方式 0 1 CKSEL1 CKSEL0 REFSEL1 REFSEL0 DIFFSEL1 DIFFSEL0 均值方式 0 0 1 AVGON NAVG1 NAVG0 NSCAN1 NSCAN0 復(fù)位 0 0 0 1 RESET X X X
�。�1）在轉(zhuǎn)換方式寄存器中，BIT7為標(biāo)志位，BIT6——BIT3用以選擇輸入通道，0000——1111分別對(duì)應(yīng)著AIN0——AIN15的各個(gè)輸入；BIT2和BIT1用以確定輸入通道的掃描方式；BIT0是溫度測(cè)量方式位，該位為1時(shí)，只進(jìn)行1次溫度測(cè)量，并在第一次的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)中輸出。
�。�2）工作方式寄存器中，BIT7和BIT6為標(biāo)志位；BIT5和BIT4用于選擇時(shí)鐘的使用方式，可確定具體使用內(nèi)部時(shí)鐘還是外部時(shí)鐘；BIT3和BIT2用于選擇是用內(nèi)部還是外部的基準(zhǔn)源；BIT1和BIT0的值用于在差分輸入方式下決定選擇是單極性工作模式還是雙極性工作模式，當(dāng)這兩位的值為00和01時(shí)，對(duì)應(yīng)的寄存器不作修改，當(dāng)其為10時(shí)，系統(tǒng)將修改單極性模式寄存器，而當(dāng)為11時(shí)，修改雙極性模式寄存器。實(shí)際上，在配置了工作方式寄存器后，也就對(duì)單/雙極性模式寄存器進(jìn)行了配置。
（3）在均值方式寄存器中，BIT7——BIT5是標(biāo)志位；BIT4是均值功能控制位，該位寫入1時(shí)開啟均值功能，寫入0時(shí)關(guān)閉；BIT3和BIT2用于定義計(jì)算均值時(shí)所需的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；BIT1和BIT0用于設(shè)置對(duì)某一通道掃描時(shí)返回結(jié)果的個(gè)數(shù)。
�。�4）復(fù)位寄存器中的BIT7——BIT4為標(biāo)志位；BIT3是復(fù)位操作控制位，該位寫入1時(shí)，僅復(fù)位內(nèi)部FI-FO,寫入0時(shí)復(fù)位所有的寄存器至默認(rèn)狀態(tài)；BIT2——BIT0為保留位，一般不影響操作。
4.2 轉(zhuǎn)換過程的控制
按照采樣和轉(zhuǎn)換過程中時(shí)鐘工作方式的不同，MAX1230的工作方式分為四種，可根據(jù)情況靈活選擇。轉(zhuǎn)換的結(jié)果有12位，高位在前，并以“0000”為前導(dǎo)形成兩個(gè)字節(jié)從DOUT引腳輸出，同時(shí)與串行時(shí)鐘SCLK的下降沿同步。這四種工作方式如下：
�。�1）采樣和轉(zhuǎn)換都使用內(nèi)部時(shí)鐘，并用CONVST信號(hào)進(jìn)行初始化，其時(shí)序如圖3所示。工作時(shí)，CONVST需要產(chǎn)生一個(gè)寬度大于40ns的低電平來對(duì)采樣和轉(zhuǎn)換進(jìn)行初始化。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，信號(hào)EOC變成低電平表示轉(zhuǎn)換結(jié)果有效，可以從DOUT引腳讀出數(shù)據(jù)。在EOC信號(hào)產(chǎn)生前，CONVST信號(hào)不能出現(xiàn)低電平，否則會(huì)引起內(nèi)部FIFO操作的錯(cuò)誤。
�。�2）采樣使用外部時(shí)鐘，而轉(zhuǎn)換使用內(nèi)部時(shí)鐘，并用CONVST信號(hào)進(jìn)行初始化。此種模式下的讀寫操作和第一種類似，區(qū)別是當(dāng)需要進(jìn)行均值運(yùn)算時(shí)，該方式還需要再產(chǎn)生一個(gè)CONVST信號(hào)來初始化均值運(yùn)算。
�。�3）采樣和轉(zhuǎn)換都使用內(nèi)部時(shí)鐘，并通過串行口寫入命令字來進(jìn)行初始化，該模式的時(shí)序如圖4所示。寫入命令字后轉(zhuǎn)換開始，轉(zhuǎn)換完成時(shí)，EOC信號(hào)變?yōu)榈碗娖�，�?shù)據(jù)可以從DOUT讀取。這種方式是芯片上電后默認(rèn)的工作方式。
（4）采樣和轉(zhuǎn)換都使用外部時(shí)鐘，并通過串行口寫入命令字來進(jìn)行初始化。該方式與第三種方式的區(qū)別是采樣和轉(zhuǎn)換都使用外部時(shí)鐘，此時(shí)外部時(shí)鐘的頻率不能超過4.8MHz.在這種方式下，結(jié)果在轉(zhuǎn)換的過程中就可讀取，信號(hào)EOC始終為高電平，此種方式下，輸入通道掃描和輸出數(shù)據(jù)均值等功能都不可用。
5 典型應(yīng)用
筆者在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)中使用了MAX1230來采集電壓信號(hào)，圖5所示是MAX1230與單片機(jī)AT89C51的接口電路。根據(jù)應(yīng)用要求，此電路中的MAX1230工作于第一種方式，采樣和轉(zhuǎn)換過程使用的都是內(nèi)部時(shí)鐘和內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源。工作時(shí)，由單片機(jī)產(chǎn)生CS和CONVST信號(hào)以控制轉(zhuǎn)換過程，并用EOC信號(hào)作為外部中斷源來觸發(fā)單片機(jī)的INT0中斷。單片機(jī)在響應(yīng)中斷后將產(chǎn)生串行時(shí)鐘SCLK和片選信號(hào)CS,并從DOUT引腳讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。由于此電路中需要用到CONVST引腳，因此與其復(fù)用的A15就不能再用了，這樣，模擬輸入通道實(shí)際可用的只有15個(gè)，即A0——A14 .
實(shí)際上，筆者在設(shè)計(jì)中使用了其中的A0——A11這12個(gè)通道，并使其工作于輸入通道掃描方式。運(yùn)行結(jié)果表明：MAX1230工作可靠，效果較好。
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