CS5396/97的超高精度数据采集系统中的应用

    摘要：24位∑-Δ A/D变换器CS5397/97的特性及其在超高精度数据采集系统中的应用。在给出的由DSP（TMS320C32）、FPGA（XC3064）、FIFO寄存器等构成的实际应用系统中，数据采集的动态范围可达100dB（当正弦信号的峰-峰值为3V时）。

在测量、工业控制系统中，A/D变换器的数据采集精度对系统的性能有着至关重要的影响。传统的A/D器件，大都采用逐次逼近方式，而CS5396/97[1]采用了∑-Δ技术，可实现24位的高分辨率。∑-Δ技术的本质是采用负反馈方式逐步减小输入模拟信号与DAC反馈信号的差值，∑-Δ A/D器件比传统的逐次逼近方式的A/D器件性能好。CS5396/97构成的数据采集系统具有高分辨率、宽动态范围、高信噪比等特点，特别适合于高精度数据采集的场合。

1 CS5396/97的主要性能

CS5396/97是一个完整的数字视频模/数转换系统，它能完成采样、模/数转换、数字滤波等，对左/右两个模拟信号输入通道进行约100kHz的采样，并以24位串行数据（校正和滤波后，动态范围为120dB）输出转换结果。CS5396/97具有一个七阶三态∑-Δ调制器（可选择64位或128倍的过采样率），A/D变换器的输入采用差动结构以便消除共模噪声干扰。CS5396/97主要性能特点是：

（1）高精度24位输出；

（2）120dB动态范围；

（3）低噪声、噪声分离度>105dB THD+N；

（4）CMOS工艺器件；

（5）可变频率的采样时钟；

（6）差动的模拟信号输入；

（7）具有线性相位数字滤波器；

（8）具有10节点的可编程序噪声抑制滤波器；

（9）单一+5V DC供电。

CS5396/97可工作于两种工作方式：独立工作方式和受控工作方式。至于选择哪一种工作方式，取决于系统加电时CS5396的"SDATA1"引脚的状态（1：对应于"受控方式"；0：对应于"独立工作方式"）。在独立工作方式下，CS5396的时钟主/从方式选择、省电模式控制、标定过程控制等均由CS5396的外部引脚状态确定。在受控工作方式，CS5396的时钟主/从方式选择、省电模式控制、SDATA1/SDATA2数据输出选择、同步方式、过采样率（64倍或128倍）、高通滤波器的使能/禁止、A/D输出数据的位数（24位、16位、18位或20位）及数据对齐方式（左对齐格式/I2S数据格式）等均由A/D内部的控制寄存器中的控制字确定。受控工作方式可实现DSP（或其它微控制器）对A/D变换器的全面控制；而独立工作方式仅能部分地选择A/D变换器的工作参量。所以在一般情况下，应选择受控工作方式。本文将对受控工作方式进行比较详细的讨论。CS5396器件的引脚及意义描述如图1所示。

2 基于CS5396/97的DSP高精度数据采集系统

图2是由DSP（TMS320C32）、程序/数据存储器、24位FIFO存储器、现场可编程序器件FPGA（完成A/D变换的串行数据并行数据的转换及各存储器的地址译码/读写控制等逻辑控制功能）和CS5396/97等构成的高精度数据采集数据。

2.1 A/D数据缓冲器FIFO及FPGA电路

A/D数据缓冲器FIFO的长度为4K，位数为24位，对应于TMS320C32的数据总线的低25位，即D[24:0]。其中低24位（D[23：0]）为A/D数据，最高1位（D[24]）为通道号。A/D输入 有2个通道，数据安排为：先左（第1通道）后右（第2通道），数据编码为二进制补码。

因为CS5396的24位A/D转换结果是以串行数据（以时钟SCLK为基准）输出的，为了存储A/D转换结果，必须将这24位串行数据转换为并行数据，然后再存储到24位FIFO RAM中。串-并转换电路是由FPGA器件XC3064[2]来完成的。

    2.2 A/D控制口

系统有两个模拟输入通道，用1片CS5396-KS实现，工作在受控方式。TMS320C32（A/D控制）通过A/D控制口，可设置它们的工作模式（过采样率、主/从模式、数据格式选择、高通滤波禁止等）。

系统要求：过采样率为64倍；工作在主模式；数据格式为I2S；禁止高通滤波。

2.2.1 控制寄存器

CS5396/97器件内部含有若干个控制寄存器，DSP可对其进行读/写，用于设置CS5396的工作方式。

（1）模拟控制寄存器（地址00000001）

FSTART：置1开始同步工作，自动清零；

GNDCAL：置1使模拟输入接Vcom，用于自校正；

AAPD：置1使模拟部分进入省电模式；

ADPD：置1使数字部分进入省电模式；

1BIT：测试位，必须保持为0。

（2）模式寄存器（地址00000010）

128x/64x：过采样率选择

0为64位过采样率；1为120倍过采样率。

CAL：置1，初始化自校正，自动清零。

SIGN：置1使模拟输入反向。

LR/LL：输出模式选择

0为输出先左后右；1为SDATA1输出左通道，

SDATA2输出右通道。

HPEN：高通滤波器

0为允许高通滤波器；1为禁止高通滤波器。

S/M：主/从模式选择

0为主模式；1为从模式。

DFS：数据格式选择

0为左对齐格式；1为I2C格式。

MUTE：置1，输出全为0.

2.2.2 A/D控制口操作流程

（1）上电后DSP设置控制字，使A/D工作。

（2）检查A/D控制寄存器满标志，满则等待，不满则进行下一步。

（3）对A/D控制口作写操作，16位数据。高8位为寄存器地址，低8位为相应的数据。

2.2.3 A/D自动正流程

（1）置FSTART位。

（2）置GNDCAL位。

（3）置CAL位。

（4）等160ms。

（5）清GNDCAL位。

2.2.4 TMS320C32对A/D的操作流程

（1）设置控制字。

（2）设置A/D工作模式。

（3）置FSTART位。

（4）延迟10s，使Vref达到稳定。

（5）对A/D进行自校正。

（6）等A/D采样数据。

2.2.5 控制字

（1）模式控制字：

020AH，高通滤波器无效、主模式、I2C格式；

020EH，高通滤波器无效、从模式、I2C格式工。

（2）多片A/D同步控制字：0180H。

（3）置GHDCAL控制字：0140H。

（4）自校正控制字：024AH，主模式；024EH，从模式。

3 采样结果分析

当用标准的信号源设定模拟输入信号频率为1kHz、幅度为3V时，A/D变换器的采样结果与功率谱估计结构（采样数据通过DSP系统中的USB总线接口传送至PC机后的处理结果）如图3和图4所示。这里将CS5396设置成主动工作方式（模式控制字为020AH）、24位输出、主时钟MCLK=MCLKA=MCLKD=12.288MHz、64倍的过采样率（采样频率Fs=MCLK/64=48kHz，串行时钟SCLK=MCLK/4=3.072MHz)，采样点数N=1024。在上述条件下，A/D变换器采样数据在频率域（功率谱密度）的动态范围并且信噪比在95dB以上，达到了非常高的采样精度。由此可见，基于CS5396/97的数据采集系统可用于需要较高采样精度、且信号带宽在20kHz以内的场合。这种系统具有较高的使用价值和推广价值。