14位串行A/D转换器MAX194的特性及应用

    摘要：MAX194是一种14位逐次逼近型串行输出的模数转换器，它具有高速度，高精度，低功耗等特点，并且带来采样保持电路，具有10μA的停机模式，能够满足最高采样频率为85kPS的转换。其最快转换时间为9.4μs，具有单极性和双极性两种输入和三态串行数据输出方式，同时价格也比同功能并行输出的模数转换器要低得多。文中介绍了它的功能和用途，同时给出了MAX194在锅炉测温系统中的单睡机进行接口的硬件电路和软件程序。

    关键词：AD转换器 采样保持 串行输出 MAX194

在一些实时数据采集与信息处理电路中，要满足数据采集的精度和速度要求，以必须采用分辨率高，转换速度快的AD转换器。MAX194是一种性能优越的高精度、带采样保持的高速度十四位串行AD转换器。笔者在课题实践中应用了MAX194芯片取得了很好的效果。由于MAX194的输出方式是串行输出而与一般的并行输出方式不同，因此，在与MC51系列单片机通信时有一些需要注意的事项。在此笔者把在应用中遇到的问题及解决方法作以介绍。

1 工作原理及结构

MAX194的工作原理框图如图1所示。它主要由主DAC、控制逻辑、比较器和校准DAC组成。主DAC用于产生与输入模拟信号进行比较的模拟信号，它的内部结构与一般模数转换器内部的DAC不同，它没有采用T型电阻网络，而是由带二进制权值的电容阵列组成（见图2）.模拟电子开关受数字量的数字代码控制，代码为0时开关接地，代码为1时开关接到参考电压上。这样，d13为1而其它为0时，VA=VREF/2；当d12为1而其它为0时，VA=VREF/2 2；依次类推，直到当d0=1而其它为0时，VA=VREF/2 14。根据叠加原理，总的等效电势为：

VA=d13VREF/2+d12VREF/2 2……+d0VREF/2 14

以单极性输入为例，其具体的转换过程如下：

（1）将电容的自由端均接在AIN，以使电容充电得到电压VAIN。

（2）将最高位电容接参考电压，其它电容的自由端接地，以使VA=VAIN，即d13=1而其它位为0，这时，VA=VREF/2-VAIN，当VA<0即VAIN

（3）要通过比较器和控制逻辑来确定次高位，依次向下类推，经过16次比较以可以使转换结束（包括两位附加位）。需要说明的是：图中的DUMMY电容是为了使它前面的电容具有权值而设置的，其本身没有权值。而由电容组成DAC将使MAX194具有采样保持功能，也就是电路不需加采样保持部分。

另外，MAX194自身具有校准功能，可在上电时进行校准。当外部环境改变时（如温度变化，电源电压改变等），还可以人为地置RESET为0时进行校准。

2 管脚排列及功能

MAX194的管脚排列如图3所示。它采用16脚DIP封装，各管脚的功能如下：

引脚1（BP/UP/SHDN）为三态输入，此脚悬空，则模拟信号以双极性方式输入；接高电平时以单极性输入；接低电平时则以10μA的关闭模式工作。

引脚10(RESET)接低电平时停止工作，并在上升沿开始校准。

引脚9（CONV）变低后，A/D转换开始。

引脚7（EOC）为转换结束输出。转换结束时输出低电平，到一下次转换开始时再变成高电平。

引脚2（CLK）外接转换时钟，最大频率为1.7MHz；引脚3(SCLK)如果在转换结束后读取结果，则以SCLK的频率读取。它可以与CLK的频率不同，最大为5MHz。

引脚5（DOUT）为串行数据输出脚，先输出最高位。

引脚8（CS）为片选信号，允许串行输出。

引脚12（REF）为参考电压输入端，输出范围为0～5V。

引脚11（AIN）为模拟输入，输入范围为0～VRFEF或-VREF～+VREF。

引脚6，14（DNCD，AGND）分别为数字地，模拟地。

引脚4，16（VDDD，VDDA）分别为+5V数字电源，+5V模拟电源。

引脚11，15（VSSD，VSSA）分别为-5V数字电源，-5V模拟电源。

3 MAX194的应用电路

MAX194可广泛应用于工业控制，测量，数字信号处理等方面。

图4为笔者在锅炉测温系统中用MAX194与单睡机进行接口的接口电路，该接口将CS接P2.7脚，并由软件发出片选信号。用于转换的时间脉冲CLK由89C51的ALE脚产生。89C51的TXD经非门接SCLK，以用做读取数据的时钟。

读出转换结果有两种方式，一种是在转换的过程中以CLK的时钟频率读出，另一种是在转换结束后以SCLK的时钟频率读出。笔者选择在转换结束后读取结果的方式（第二种）。该方式在转换结束以后，当EOC变低并且在CS也为低时，在DOUT上输出最高位，之后在SCLK的下降沿依次输出其它位。SCLK允许的最高频率是5MHz。图5为其时序图。

图中，tCONV为转换时间；tCSS为CS下降模沿的时间；tCSH为SCLK最后一个下降沿至CS上升沿的时间。

4 注意事项

    采用图4电路进行接口设计时，应注意以下几点；

（1）Tcss必须大于75μs，应在程序中先置CS为零，然后再发转换开始信号。

（2）转换开始脉冲必须与转换时钟同步，为此在P1.0和ALE之间应加一个或门后再接至CONV，以确保同步。

（3）在TXD直接至SCLK相连时，由于89C51在TXD的下降沿读数，而TXD（SCLK）的第一个下降沿以开始输出次高位，这样以会丢失最高位。为此，可在TXD与SCLK之间接一个反相器，这样在TXD的下降沿读入数据时，即可在TXD的上升沿（SCLK的下降沿）使DOUT输出数据。由于读入数据和输出数据是分时进行的，因而保证了这种先读出最高位，再输出次高位的全数据输出方式。

（4）由于在收缓冲器SBUF中，数据的存储顺序为：

d6

d7

d8

d9

d10

d11

d12

d13

所以要在程序中重新排列其顺序，图6为其程序框图，具体的程序如下：

ADZHUAN：CLR PSW

CLR C

CLR P2.7

MOV P0，#02H

MOV R1，#03H

SETB P1.0

CLR P1.0

SETB P1.0

SETB P3.2

HERE：JB P3.2，HERE

LOOP：MOV SCON，10H

WAIT1：JNB RI，WAIT1

MOV A，SBUF

MOV @R1，A

INC R1

DJNZ R0，LOOP

SETB P2.7

LCALL EXCH

RET

EXCH：MOV R1，30H

MOV A，#00H

CLR C

MOV R7，#08H

LOOP0：XCH A，R1

RRC A

XCH A，R1

RLC A

DJNZ R7，LOOP0

MOV 32H，A

MOV R1，31H

MOV A，#00H

CLR C

MOV R7，#08H

LOOP1：XCH，A，R1

RRC A

XCH A，R1

RLC A

DJNZ R7，LOOP1

MOV 33H,A

RET