摘要：介绍了８通道24位Δ－∑型模拟／数字转换器ADS1216的特点、结构及原理，并以ADS1216用于海洋光学浮标光学幅照度仪为例，给出了它和C8051F020之间的接口电路和程序流程图，最后给出了ADS1216的一些使用要点及设计经验。
关键词：ADS1216；SPI；Δ－∑；光学浮标
１ ＡＤＳ１２１６概述
ＡＤＳ１２１６是Ｂｕｒｒ－Ｂｒｏｗｎ产品线中的一款新型、高精度、宽动态范围、Δ－∑型８通道２４位ＡＤＣ。它通过ＳＰＩ接口与外界进行信息交换，具有２２位有效分辨率，工作电压范围为２．７Ｖ～５．２５Ｖ。该器件可以通过选择内部缓冲来提高阻抗，并可提供全量程电压５０％的偏移校正，此外，ＡＤＳ１２１６还具有内外两种参考电压供给方式。
图1
ＡＤＳ１２１６主要应用于工业过程控制、液态／气态色谱仪、血液分析、智能变送器、便携式仪器、压力传感器以及其它一些要求高精度、低功耗的测量仪器中。ＡＤＳ１２１６的主要特点如下：
●低非线性度：０．００１５％；
●采用单周期转换模式；
●功耗小于１ｍＷ；
●可配置为８路差分输入；
●具有可编程增益放大器，Ｇ＝１时，可提供２２位有效分辨率； Ｇ＝ １２８时，可提供１９位有效分辨率；
●带有ＳＰＩ通讯接口；
●数据输出速率在１０Ｈｚ～１ｋＨｚ内可编程；
●具有芯片自校准功能。
图2
２ ＡＤＳ１２１６的结构原理及寄存器功能
２．１ ＡＤＳ１２１６的内部结构及工作原理
图１所示为ＡＤＳ１２１６的内部结构和外部主要引脚。ＡＤＳ１２１６内部主要由模拟多路开关（ＭＵＸ）、输入缓冲器（ＢＵＦ）、可编程增益放大器（ＰＧＡ）、二阶Δ－∑调制器、可编程数字滤波器、微控制器、１６个状态／控制寄存器、１２８字节ＲＡＭ、串行ＳＰＩ接口、两个８位ＤＡＣ、内部参考电压产生器以及时钟发生器等组成。其中，输入多路选择器（ＭＵＸ）主要用来提供八路模拟输入差分组合。当模拟输入的通道１被选择为正差分输入通道时，其余的通道则可被选作负的差分输入端。这样，其共地端引脚ＡＩＮＣＯＭ就可以非常方便地实现八通道差分输入。ＡＤＳ１２１６内部还有一个二极管温度传感器，它是否工作可通过对内部ＭＵＸ寄存器的配置来选择。
输入缓冲器（ＢＵＦ）用于在信号通路中隔离开关电容器阵列与外部电路。在没有输入缓冲器时，ＡＤＳ１２１６的输入阻抗为５ＭΩ，当使用ＡＤＳ１２１６内部缓冲器时，其输入电压的波动减小，输入电流增大。其内部输入缓冲器是通过ＢＵＦＦＥＲ引脚和内部ＡＣＲ寄存器的ＢＵＦＦＥＲ位共同控制的。
ＡＤＳ１２１６内部的可编程增益放大器（ＰＧＡ）的放大倍数可以通过ＡＣＲ寄存器设定为１到１２８，增益步长为２。
ＡＤＳ１２１６内部的调节器是一个二阶Δ－∑系统。调节器以ｆＭＯＤ的频率工作，ｆＭＯＤ时钟频率来自外部时钟ｆＯＳＣ。频率的分割来自设置寄存器（ＳＥＴＵＰ）的ＳＰＥＥＤ位。设计时，通过ＳＰＥＥＤ位为１或０可以将ｆＭＯＤ的频率设置为ｆＯＳＣ／２５６或ｆＯＳＣ／１２８。
通过数字滤波器可提高ＡＤＣ的转换精度和分辨率。数字滤波有一定的建立时间。ＡＤＳ１２１６内部可以分为快速建立、ｓｉｎｃ２或ｓｉｎｃ３三种滤波方式。快速方式建立时间最短，但滤波精度也最低，而ｓｉｎｃ３的建立时间最长，但滤波精度最高。
ＡＤＳ１２１６提供有两种参考电压供给方式，上电默认参考电压是内部２．５Ｖ。参考电压的选择可通过ＳＥＴＵＰ寄存器的设置来完成。内部参考电压可选择１．２５Ｖ或２．５Ｖ。参考电压输出端应该有一个０．１μＦ的电容接地。外部参考电压是差动输入，输入范围为０～２．５Ｖ。通过ＡＤＳ１２１６的ＶＲＣＡＰ引脚可为内部参考电压提供一个旁路电容以滤除内部参考电压的噪声，当使用外部参考电压时，该脚可以不连。
图3
ＡＤＳ１２１６采用四线制（时钟信号线ＳＣＬＫ、数据输入线ＤＩＮ、数据输出线ＤＯＵＴ以及片选线ＣＳ）ＳＰＩ通讯方式。ＳＰＩ的最大通信时钟可达ｆｏｓｃ／４。ＡＤＳ１２１６只能工作在ＳＰＩ通讯的从模式下，可通过各种主控制器（如单片机等）给它发送同步传送命令。在ＳＰＩ传送过程中，数据被同步地发送和接收，ＳＣＬＫ和ＤＩＮ、ＤＯＵＴ同步移动。图２所示是ＳＰＩ通讯时序关系，其中ＰＯＬ信号用来控制时钟脉冲的极性。通过ＰＯＬ可选择ＳＣＬＫ是高电平有效还是低电平有效。
ＡＤＳ１２１６使用两种典型的存储器：寄存器和ＲＡＭ。１６个寄存器可直接控制ＡＤＳ１２１６的工作过程，而且这１６个寄存器可以被直接读写。实际上，这些寄存器包括了所有用来配置ＡＤＳ１２１６的部分，比如数据格式、通道选择、参考电压设置等。
整个器件工作过程的建立可通过对１６个独立的寄存器的设置来完成。读或写寄存器或存储器都是以字节为单位的。而寄存器与ＲＡＭ之间的数据传输则是以块为基础来进行的。ＲＡＭ和寄存器之间是相互独立的。
内部存储器（包括寄存器和ＲＡＭ）的地址均为线性的，寄存器地址为００Ｈ～０ＦＨ。为便于八通道数据独立存储以及同寄存器之间进行数据的块传输，１２８字节ＲＡＭ被划分成８个相互独立的块。每一个块的偏移量均为００Ｈ～０ＦＨ。所以，每块各单元的地址可以看作块地址和偏移量的组合。如地址１４Ｈ则等于第一个ＲＡＭ块且偏移量为０４Ｈ的单元。
ＡＤＳ１２１６的同步操作可利用外部时间提供一个精确的同步以用于Ａ／Ｄ转换。它既可通过芯片的ＤＳＹＮＣ引脚提供，也可通过内部ＤＳＹＮＣ命令提供。
２．２ ＡＤＳ１２１６主要寄存器功能
在ＡＤＳ１２１６的１６个寄存器中有五种寄存器是最主要的，表１为这五种寄存器的操作格式
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