AD7891采集多路模擬量的時(shí)序控制

張濤

摘要

AD7891是一種多通道模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在多路模擬量的實(shí)際采集中，由于對通道切換和啟動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)序控制不嚴(yán)格，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。本文介紹了AD7891芯片的功能特點(diǎn)和使用方法，并以AD7891-1與某DSP的并行接口應(yīng)用為例，詳細(xì)描述了在通道切換和啟動(dòng)轉(zhuǎn)換之間的時(shí)序控制。

【關(guān)鍵詞】模擬數(shù)據(jù)采集 時(shí)序控制 AD7891

1 概述

AD7891是美國ADI公司推出的一款12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS），具有并行和串行兩種工作模式，內(nèi)置輸入多路復(fù)用器、采樣保持放大器、12位高速ADC、+2.5V基準(zhǔn)源和高速接口電路，并具有8個(gè)帶過壓保護(hù)的模擬信號(hào)輸入通道，工作電壓為+5V，工作溫度為-40℃～+85℃，采用單電源供電，功耗低，可接受多種輸入信號(hào)范圍：AD7891-1（±5V和±10V）及AD7891-2（0V至+2.5V、0V至+5V和±2.5V），采用44針的PLCC和PQFP兩種封裝。

AD7891通過MODE引腳來選擇并行或串行工作模式，無論哪種模式，均能提供標(biāo)準(zhǔn)控制輸入及快速數(shù)據(jù)訪問時(shí)間特性，模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間為1.6us。

2發(fā)問題描述

基于某DSP的產(chǎn)品通過AD7891-1采集多路模擬電壓信號(hào)，DSP與AD7891-1采用并行接口連接電路，在進(jìn)行低溫工作測試時(shí)，出現(xiàn)采集數(shù)據(jù)跳變的故障現(xiàn)象，問題定位為DSP中AD采集軟件模塊對AD7891芯片的使用方法不當(dāng)。

3 機(jī)理分析

3.1 轉(zhuǎn)換控制和通道選擇

AD7891可以使用硬件和軟件兩種方法控制轉(zhuǎn)換開始，硬件方法控制轉(zhuǎn)換開始通過設(shè)置CONVST端的輸入，當(dāng)輸入為負(fù)脈沖時(shí)，在脈沖上升沿片內(nèi)的跟蹤/保持器從跟蹤模式轉(zhuǎn)為保持模式并開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作;軟件方法控制轉(zhuǎn)換開始通過設(shè)置控制寄存器的SWCONV位，寫入“1”時(shí)，AD7891內(nèi)部將產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)來控制跟蹤/保持的起始點(diǎn)以及啟動(dòng)轉(zhuǎn)換序列，當(dāng)內(nèi)部脈沖信號(hào)超時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)束。

AD7891有一個(gè)6位控制寄存器。寄存器各位分別控制芯片模擬信號(hào)輸入通道的選擇、模擬轉(zhuǎn)換的開始、待機(jī)工作模式選擇和輸出數(shù)據(jù)格式，可以通過并行寫操作或串行寫操作將控制字寫入控制寄存器。在芯片剛接通電源時(shí)，控制寄存器各位的初始狀態(tài)均為0。格式為：

MSB

其中A2、A1、A0為地址輸入端，用來選擇多路選擇器的模擬信號(hào)輸入通道，A2為最高有效位。通道數(shù)N可由公式N=4A2+2A1+A0+1計(jì)算確定。

SWCONV為軟件模數(shù)轉(zhuǎn)換開始位。寫入“1”時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換開始。

SWSTBY為待機(jī)模式輸入位。寫入“1”時(shí)，芯片待機(jī)模式;寫入“0”時(shí)，芯片正常工作。

FORMAI為數(shù)據(jù)格式位。寫入“0”，輸出數(shù)據(jù)格式為二進(jìn)制原碼;寫入“1”，輸出數(shù)據(jù)格式為二進(jìn)制補(bǔ)碼。

3.2 采集流程

本文以軟件方法控制轉(zhuǎn)換開始為例，通過向AD7891寄存器寫控制指令實(shí)現(xiàn)對電壓數(shù)據(jù)的采集，內(nèi)部工作流程如下：

（1）AD7891芯片通過并行接口接收到通道設(shè)置的指令，通過地址編碼單元控制多路開關(guān)選擇設(shè)定的采集通道;

（2）通道選通后，AD7891內(nèi)部的跟蹤/保持放大電路單元，對該通道輸入的電壓信號(hào)進(jìn)行跟蹤保持;

（3）啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，通過電路積分和比較，完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換;

（4）轉(zhuǎn)換完成后，AD7891EOC端輸出脈寬為80ns的負(fù)脈沖，DSP讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果;

（5）芯片又重新進(jìn)入跟蹤模式，跟蹤/保持器開始進(jìn)行下一次的數(shù)據(jù)采集，在轉(zhuǎn)換期間和轉(zhuǎn)換結(jié)束100ns之前，DSP不能進(jìn)行讀數(shù)據(jù)操作。

3.3 原因分析

采樣保持獲取時(shí)間用于讓跟蹤/保持放大器輸出的采樣值更接近于真實(shí)值。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，當(dāng)出現(xiàn)選擇通道切換或者輸入到被選擇的VIN引腳的電壓發(fā)生較大變化時(shí)，這段時(shí)間被用來進(jìn)行輸入穩(wěn)定。這就意味著在操作芯片時(shí)，用戶必須在轉(zhuǎn)換完成后插入一個(gè)等待周期用于下一次采集信號(hào)的跟蹤/保持。當(dāng)采集通道發(fā)生變化或者輸入的電壓發(fā)生較大的變化時(shí)，也需要在開始轉(zhuǎn)換之前插入一個(gè)等待周期。這樣做可以保證芯片訪問操作的規(guī)范性和數(shù)據(jù)采集的正確性。

在現(xiàn)有的軟件設(shè)計(jì)中沒有在數(shù)據(jù)讀取和通道切換等操作步驟之間插入等待時(shí)間，這就有可能出現(xiàn)在通道切換后，片內(nèi)的跟蹤/保持放大器采集到的輸入電壓還沒有完全變化到真實(shí)值的時(shí)候就開始啟動(dòng)了AD轉(zhuǎn)換，造成采集電壓有誤差。

在通道切換之后AD7891輸入跟蹤保持放大器的輸出電壓信號(hào)由之前保持的電壓（上一AD通道）變?yōu)榈漠?dāng)前選通的通道電壓，該轉(zhuǎn)換也需要一定的時(shí)間，所需時(shí)間與兩個(gè)通道之間的電壓幅值差異有關(guān)，同時(shí)也會(huì)受到溫度的影響，對于不同的信號(hào)處理器，該時(shí)間也存在微小差異。

因此在軟件設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮該通道切換所需時(shí)間，留出足夠的時(shí)間（T_track-hold）來保證通道切換完成。

軟啟動(dòng)方式時(shí)，該通道切換和跟蹤保持的時(shí)間由芯片內(nèi)部時(shí)序控制，該時(shí)間為0.7μs，當(dāng)通道切換時(shí)實(shí)際所需的時(shí)間T_track-hold超出0.7μs，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)放大器端的電壓并未完全變?yōu)楫?dāng)前通道的電壓，導(dǎo)致AD轉(zhuǎn)換結(jié)果不準(zhǔn)確。

4 改進(jìn)措施

對AD7891采集軟件模塊進(jìn)行改進(jìn)，在切換采集通道和開始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換之間插入lus的等待周期;當(dāng)AD采集完成后，DSP在讀取完轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)后再等待1us開始切換通道進(jìn)行下一次轉(zhuǎn)換。

5 結(jié)語

文中以AD7891-1與某數(shù)字信號(hào)器的并行接口連接電路為例，在多路模擬量的實(shí)際采集中，通過軟啟動(dòng)方式控制轉(zhuǎn)換開始，詳細(xì)分析了在通道切換和啟動(dòng)轉(zhuǎn)換之間的時(shí)序控制。

參考文獻(xiàn)

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