12位4通道并行/串行模/数转换芯片ADS7824的原理及应用

摘要：ADS6724是美国BB公司生产的12位开关电容式逐次逼近型模/数转换芯片。它具有与CPU的并行/串行接口，功耗低，片上资源丰富，接口灵活等特点。文中详细介绍了ADS7824的工作原理、引脚定义、工作时序及在并行/串行模式下与8051单片机的接口电路及部分读写程序。

    关键词：模数转换器 CDAC 接口电路 ADS7824

1 概述

ADS7824是美国BB公司推出的种低功耗4通道12位并行/串行模数转换芯片。该芯片是一种开关电容式逐次逼近模数转换芯片，其内部自带采样保持器（SHA）、时钟源、+2.5V参考电压及与微处理器的并行/串行接口。同时，它还可以在连续转换模式下对外部4通道模拟输入信号进行顺序转换。与其它ADC相比，ADS6724具有非常低的功耗和丰富的片上资源，且内部结构紧凑，集成度高，工作性能好，可在-40～80℃范围内正常工作，非常适用于仪器仪表及便携式探测器使用。

ADS7824的基本特点和主要参数如下：

*内部带有采样保持器（SHA），采用12位逐次逼这（SAR）模/数转换方式。

*采样频率为40kHz，最大采样与转换时间为25μs。

*数据可并行或串行输出，并带有三态输出缓冲电路，可直接与各种微处理器相连。

*积分非线性（INL）最大为±0.5LSB，无漏码的差分非线性（DNL）最大为12位。

*具有连续转换模式。

*转换无失码。

*典型信噪比（SNR）为73dB。

*孔径延迟（aperture delay）时间为40ns。

*内带+2.5V基准电压，也可选用外部+2.5V基准电压。

*差分电压输入范围为±10V，同时带有四通道多路选择器。

*采用单+5V电源供电。正常工作情况下的功耗为50mW；关闭模式下的功耗仅为50μW。

*采用28脚PDIP或SOIC封装形式。

2 内部结构及引脚说明

2.1 结构原理

图1所示为ADS7824的内部结构框图，它采用的是具有固有采样/保持功能的电容式DAC（CDAC）转换方式，CDAC是根据电荷再分配的原理产生模拟输出电压的。它包括一列有N个按照二进制加权排列的电容，在采样阶段，阵列电容的公共端（所有电容连接的公共点）接地，所有自由端连接到输入信号；采样后，公共端与地断开，自由端与输入信号断开，这样可在电容阵列上有效的获得与输入电压成正比的电荷量；然后，所有电容的自由端接地以驱动公共端至一个负压-VIN。作为二进制搜索算法的第一步，MSB电容的自由端与地断开，并连接到VREF可驱动公共端电压向正端移动VREF/2，若此时该电压小于地电压，比较器输出为逻辑1，则预示MSB大于VREF/2，否则，比较器输出为逻辑0，此时预示着MSB小于VREF/2，接下来，下一个最大的电容与地断开，并连接到VREF，通过比较器确定下一位的数值，如此循环直到判定出全部数字位。

2.2 引脚说明

ADS7824具有28个引脚，各引脚定义如下：

AGND1（1），AGND2（8）：模拟地。

AIN0～AIN3（2，3，4，5）：模拟信号输入通道0～3，其差分输入电压范围为±10V。

CAP（6）：内部参考电压缓冲输出，通过2.2μF钽电容接地，可为CDAC在整个转换周期内提供适宜的开关电流。

REF（7）：参考电压输入/输出端。

D7～D5（9，10，11）：当PAR/SER端为高时，为8位并行数据高三位输出，为低时呈高阻态。

D4（12）：当PAR/SER端为高时，该端输出8位并行数据bit 4，PAR/SER端为低时，该脚为串行时钟选择端。具体选择方式是：当该端输入高电平时，串行转换采用外部串行时钟；为低电平时，串行转换采用内部时钟。

D3（13）：当PAR/SER端为高时，该端输出8位并行数据bit3，PAR/SER为低时，该端输出为同步信号SYN，当系统使用多个ADS7824S时，使用该引脚可实现各个芯片数据输出的同步。

DGND（14）：数字地。
图2 8051与ADS7824的并接口电路 点击放大

    D2（15）：当PAR/SER端为高时，该端输出8位并行数据bit2，PAR/SER为低时，为串行时钟信号输出。    图中，单片机采用查询方式通过P1.0口不断查询BUSY状态，BUSY为1时，表示ADS7824完成一次转换。单片机通常通过两次读取操作来将数据读入，当R/C=1，CS=0，BYTE=0时，读取高8位；当R/C=1，CS=0，BYTE=1时，读取低4位。数据读取完成后，单片机将R/C和CS端置低40ns～12μs以启动下一次转换，此时BUSY输出为低电平。图3为并行方式下数据转换时序图。图2中，由于ADS7824的CS端与8051的锁存地址A0相连，BYTE与8031的锁存地址A6相连，R/C与8031的锁存地址A7相连，因此，启动ADS7824的端口地址为0XXXXXX0B，读/写ADS7824的程序段如下：    3.2 串行输出方式

D1（16）：当PAR/SER端为高时，该端输出为8位并行数据bit1，PAR/SER为低时，该端为串行数据输出。

D0（17）：当PAR/SER为高时，该端输出为8位并行数据bit0，PAR/SER为低时，该端为串行输出标记端。

A1，A2（18，19）：输入信号通道选择端。

PAR/SER（20）：并行/串行输出选择端。

BYTE（21）：字节选择控制端。在读取期间，若BYTE为0，则高8位有效；若为1，则低4位有效。

R/C（22）：读取/转换控制端。

CS（23）：片选端。

BUSY（24）：输出状态端。转换开始时，BUSY为低电平；转换完成后，该端输出为高电平。

CONTC（25）：连续转换模式控制端，CONTC为5V时，ADS7824工作在连续转换模式，此时芯片可对4个输入通道信号进行连续采集和转换。

PWRD（26）：电源关闭模式端，高电平有效。关闭模式时，系统将切断芯片内部模拟和数字电路的电源，以使芯片处于低功耗状态。

Vs1，Vs2（27，28）：+5V电源输入端。

3 与8051单片机的接口电路

ADS7824内含三态输出缓冲电路和串行/并行输出方式，且与CPU的接口非常灵活。下面分别介绍并行、串行输出方式下，ADS7824与8051单片机的接口方法。

3.1 并行输出方式

ADS7824与8051单片机的并行接口电路如图2所示。
图4 8051与ADS7824的串行接口电路 点击放大

 

MOV DPTR，#0000H //送端口地址0000H入DPTR

MOVX @DPTR，A ；启动ADS7824

SETB P1.0

LOOP：JB P1.0，$ ；检测P1.0

MOV DPTR，#0001H ；读取高8位

MOVX A，@DPTR

MOV 33H，A

MOV DPTR，#0003H ；读取低4位

MOV A，@DPTR

ANL A，#0FH

MOV 32H，A

ADS7824与8051的串行接口电路如图4所示。图中，ADS7824采用外部时钟，其时钟输入由8051的串行口TXD提供，数据输入输出端与串行口RXD相连。由8051的P1口完成转换与读取控制。图5为串行输出上ADS7824的时序图。由于单片机串口在方式0（即同步移位寄存器状态下）工作时，波特率固定为fosc/12，数据由RXD端输入输出且低位在先，因此必须将读入的12Bit数据逆序排列，才能得到正确的ADS7824的输出。系统的同步移位时钟由TXD端。其串口读/写程序如下：

MOV SCON，#11H ；初始化串口

MOV IE，#10H

SETB P1.2

Loop:MOV R0，#08H

CPL P1.2 ;开启转换

JB P1.0，$ ；查询

CPL P1.2 ；读取高八位

Read：JB RI，$

CLR RI

MOV A，SBUF

Invert0：RLC A 读入数据侄置

DJNZ R0，Invert0

MOV 32H，A

MOV R0，#08H

SETB P1.1 ；读取低四位

JB RI，$

MOV A，SBUF

Invert1:RLC A ；读入数据倒置

DJNZ R0，Invert1

ANL A，#FFH

MOV 33H，A