A/D转换器ADS8320的原理与应用

    摘要：ADS9320是美国Burr-Brown公司生产的串行16位微功耗高速A/D转换器。它的采样频率最高可达100kHz，线性度为±0.05%，工作在2.7～5.25V电源电压范围内，非常适合于便携式电池供电系统的使用，文中介绍了ADS8320的功能特点、引脚排列及工作时序，并给出了ADS8320与单片机的接口设计和编程。

    关键词：ADS8320 A/D转换 单片机

在便携式仪器设备中，往往要求其数据采集系统不仅具有速度快、精度高的特点，而且还要求其具有供电电压低、体积小以及功耗小等特性。ADS8320是Burr-Brown公司生产的逐次逼近式串行16位微功耗CMOS型高速A/D转换器，它的线性度为±0.05%，工作电源在2.7V～5.25V范围内，采样频率最高可达100kHz；在2.7V供电和100kHz采样速率下，其功耗仅为1.8mW，而在10kHz低速采样时的功耗仅为0.3mW；在非转换状态时可处于关闭模式，此时功耗可低至100μW；ADS8320具有同步串行SPI/SSI接口，因而占用微处理器的端口较少；其差动输入信号范围为500mV～VCC(工作电源)；采用8引脚MSOP小体积封装。以上特点使ADS8320非常适用于便携式电池供电系统中。

1 内部结构及引脚排列

ADS8320的内部结构如图1所示，它由采样/保持放大器、D/A转换器、比较器、移位寄存器、控制逻辑电路、串行接口电路等组成。其管脚排列如图2所示。各引脚的功能如下：

●VREF为外接参考电压输入端；

●+IN、-IN为外接差动模拟信号输入端；

●+Vcc、GND为供电电源接入端；

●CS/SHDN为片选/关断控制端；

●DCLOCK为时钟输入端；

●DOUT为A/D转换的数字结果串行输出端。

2 工作时序

ADS8320与微处理器或其它数字系统采用同步3线串行接口进行通信，其工作时序如图3所示。

当CS/SHDN端从高电平变为低电平（下降沿）时，芯片的整个转换和数据传输过程被初始化，DCLOCK端的最初4.5～5个时钟脉冲用于对输入模拟信号的采样，此时DOUT端处于高阻态；在随后的DCLOCK下降沿，DOUT端将输出一个可持续一个脉冲周期的低电平信号，以作为将要输出A/D转换结果的标志；紧接着在16个DCLOCK的控制下，从最高位（MSB）到最低位（LSB）依次由DOUT输出16位转换结果。

DCLOCK信号的下降沿可用来控制A/D转换结果在DOUT端的同步传输，大多数接收系统对DOUT端转换结果数字位流的采集在DCLOCK的上升沿进行。

当16位转换结构传输结束后，若CS/SHDN端仍为低电平且DCLOCK端有控制脉冲，那么在DOUT端继续输出转换结果，但此时是由最低位（LSB）到最高位（MSB）依次输出，直到当最高位输出出现重复使DOUT端变成高阻态为止。即一次转换数据最多输出两次，一次从高位到低位，一次从低位到高位。一般情况下，当16位转换结果输出完毕后，置位或去掉DCLOCK脉冲，可使结果仅输出一次。

当CS/SHDN端接高电平（下降沿）时，ADS8320在关断模式下低功耗工作，只有当CS/SHDN端从高电平变为低电平时，芯片方可重新初始化而进行另一次A/D转换。

3 与单片机的典型接口设计

图4以MCS-51系列单片机为例，给出了ADS8320与微处理的典型连接图。ADS8320采用单电源Vcc(2.7V～5.25V)供电，外接参考电源直接由供电电源来提供，此时模拟输入的最大范围为Vcc。串行接口的外部时钟DCLOCK及芯片的片选信号由单片机的P1.0口控制产生，转换结果由P1.2读取。

在其它应用中，外接参考电源可在500mV～Vcc之间选择，这同时决定了外接模拟电压的最大范围。但是过低的参考电压虽然可提高A/D转换的灵敏度且降低系统的抗干扰性能，同时需要连接更干净的低噪声电源，而且由于温漂、增益误差等原因也降低了A/D转换的线性度。如采用+5V参考电源，则内部噪声干扰的典型值为1.5LSB；而采用+500mV参考电源时的内部噪声干扰典型值为15LSB。

外部接入时钟DCLOCK的频率可以在24kHz～2.4MHz之间变化，分别对应于1kHz和100kHz的A/D转换速率。该电路对外接时钟的占空比没有特点要求，而只需高、低电平的持续时间大于200ns即可。

外接模拟信号从+IN、-IN端差动输入以及CS/SHDN的下降沿使转换初始化后，它的前五个时钟脉冲为采样周期，这时差动输入信号被内部电容采样。而在转换过程中，+IN、-IN端与内部电路断开连接。为了保证转换的线性度，-IN端的电平即不能低于GND-100mV，也能高于GND+1V。+IN端的电平应保证在（GND-100mV）至（Vcc+100mV）之间。

A/D转换的数字结果将在DCLOCK端的控制下由DOUT端连续输出。如果DOUT端平时处于高阻态，则转换结束后首先出现低电平的标志位，随后输出从最高位到最低位的16位转换结果。

下面以MCS-51系列单片机为例，给出ADS8320与单片机接口的具体程序：

CS EQU P1.0

DOUT EQU P1.1

DCLOCK EQU P1.2

……

CONV：CLR CS

WAIT：ACALL DELAY

CLR DCLOCK

ACALL DELAY

SETB DCLOCK ；在DCLOCK端产生脉冲

MOV C，DOUT ；在DCLOCK上升沿采样

JC WAIT ；输出D OUT非零则等待

MOV R7， 16 ；读取16位转换结果

READ：CLR DCLOCK

ACALL DELAY

SETB DCLOCK ：在DCLOCK端产生脉冲

MOV C，DOUT ；在DCLOCK上升沿采样

RLC R0 ；低8位移入R0

RCL R1 ；高8位移入R1

ACALL DELAY

DJNZ R7，READ ；直到读完16位

OVER：SETB CS ；转换和读数结束，进入关断模式

……

在上面的程序中，DELAY为延时子程序，用于决定DCLOCK端时钟脉冲的高、低电平持续时间，可以根据单片机晶振频率即指令执行时间以及A/D转换频率高低的要求具体确定延时时间的长短，以确定控制脉冲的频率。转换子程序CONV执行后将进行一次模拟信号采样和A/D转换，并将16位转换结果以高位在前、低位在后的顺序读入R1和R0寄存器。