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标题 24位模数转换器AD7190原理及应用
范文 朱旭芳+朱小芳


摘要：从芯片内部结构、外部引脚及内部工作寄存器3个方面对4通道24位模数转换器AD7190进行了介绍，并以磁场测量系统为例，介绍了芯片应用。
关键词：模数转换器；低噪声；磁场测量系统
中图分类号：TP301
文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2015）003-0024-02
0 引言
AD7190是ADI公司推出的一款超低噪声24位∑—Δ型模数转换器（ADC）[1]，主要应用于电子秤、压力测量、温度测量、应变计传感器以及其它一些要求精度高、功耗低的测量仪器中。本文在磁场测量系统中使用这一芯片。该芯片可以配置为两路差分输入，也可以配置为4路伪差分输入。芯片内部各通道序列器可以通过使能端控制多个通道，自动按顺序在各路使能通道上执行转换，从而大大简化了芯片与器件的通信方式。芯片内部高精度4.92 MHz时钟可以用作模数转换的时钟源，根据实际采样频率的需要也可以使用外部时钟或晶振。该器件的数据输出速率介于4.7 Hz～4.8 kHz[1-4]。
1 AD7190结构及功能
1.1 AD7190内部功能结构
AD7190的内部功能结构及其外部主要引脚如图1所示。 AD7190主要包括模拟多路开关（MUX）、可编程增益放大器（PGA）、可编程数字滤波器、温度传感器、内部缓冲器、状态/控制寄存器、串行SPI 接口、内部参考电压产生器以及时钟发生器等工作模块。其中，模拟多路开关（MUX）用于将片外的四路模拟输入配置为2通道差分输入或4通道伪差分输入[5-7]。其中，可编程增益放大器的增益范围为1～128， 不同的增益有效分辨率不一样。当G=1时，提供22位有效分辨率； 当G=128时，提供19位有效分辨率。内部缓冲器的主要作用是在信号通路中隔离开关电容器阵列与外部电路，从而提高输入阻抗。使用输入缓冲器时，AD7190 的输入变化范围应为AGND+0.25V～AVDD-0.25V。此外，片内滤波器的选择会影响编程输出数据速率的均方根噪声和无噪声分辨率、建立时间以及50 Hz/60 Hz抑制。
1.2 AD7190的外部引脚
AD7190采用TSSOP封装，其外部引脚共有24个。图1为主要外部引脚，包括模拟部分和数字部分。引脚按功能可分为模拟和数字两种类型。模拟部分主要包括参考电压输入引脚、四路外部模拟信号输入以及芯片模拟电源输入引脚。芯片参考电压可通过内部参考电压产生电路供给，也可通过外部差动参考电压输入引脚VREF+和VREF-提供。四路模拟输入可通过AINCOM 端配置为4 通道伪差分输入，也可以将任意两个输入配置为差分输入的同相和反相输入端，组成两路差分输入。
数字电路部分的引脚主要有DIN、DOUT/、SCLK。通过DIN引脚将串行数据送到AD7190上的输入移位寄存器上，用于控制和配置AD7190。DOUT/为串行数据输出和数据输出准备的复用引脚，可从这个引脚上读出ADC的串行数据。SCLK为串行时钟引脚，内带施密特触发器。
2 AD7190内部寄存器
控制AD7190采样所涉及的片上寄存器主要有通信寄存器（Communications register，CR）、状态寄存器（Status register，SR）、模式寄存器（Mode register，MR）、配置寄存器（Configuration register，CON）、数据寄存器（Data register，DR）。
通信寄存器是一个8位的只写寄存器，通信寄存器的数据决定了下一步要进行的操作类型与硬件地址[8-11]。
状态寄存器是一个8位的只读寄存器，通过观察状态寄存器，可以判断ADC是否正常工作。模式寄存器可设置工作模式、采样率、时钟源、滤波器等。
AD7190有两种工作模式，当模式寄存器的MR21～MR23被设置为001（二进制）时，AD7190为单次采样模式。在此模式下，每次转换都需要一个完整的滤波器建立时间。转换完成后芯片发出转换完成信号（RDY引脚低电平），同时进入空闲模式（Idle mode）。而当模式寄存器的MR21～MR23被设置为000（二进制），同时MR11置位时，AD7190为连续采样模式。每次采样都要重新建立滤波器，每次采样完成后自动开始下一单次采样，而不是空闲模式。本文磁场测量系统AD7190为单次采样模式，数据输出速率为320SPS，调节时间为6.25ms，采样率控制基于单片机Timer_A的定时中断。
配置寄存器可设置单/双极性模式、缓冲器使能、参考电压源选择、增益、通道选择等。本系统AD7190工作为非缓冲模式，增益为1，5V参考电压，双极性模式测量[12-13]。
数据寄存器是24位只读寄存器，单片机从AD7190读到的数据Code与ADC输入电压AIN关系如下：
3 AD7190 应用
将该AD7190芯片应用到某磁场测量系统中，用来测量磁场强度。
由于采用的磁通门磁传感器能同时测量互相垂直的三轴磁场分量，考虑控制方便，系统采用了3片AD7190，为保证采样信号同步，3片AD7190均由同一块单片机控制。每个AD7190完成一个分量磁场信号的采集[14-15]。单片机采用美国德州仪器公司的MSP430F2618[2]。其中，测量系统程序流程如图2所示。按照前述芯片使用方法，很好地完成了三路信号采集。
4 结语
在设计及实验过程中，除根据数据手册操作外，制作电路时必须注意以下细节，否则难以达到理想效果。
（1）设计印刷电路板时，如果芯片使用的是外部晶振，应尽可能使其靠近AD7190。实验中发现，晶振离AD7190 越远，其输入时序的辐值越小，达不到芯片工作所需的高低电平要求。如时序辐值太小，可以通过减小接入晶振两端的电容来增大其辐值。但所采用的电容范围应在0～20pF 之间。
（2）使用SPI 通讯时必须特别注意单片机和AD7190中SCLK的极性。
（3）在模数转换过程中，为得到稳定的转换结果，每次改变通道发送同步信号前，应先增加一段延时，该延时时间不能固定，应随AD 采样频率和滤波方式的变化而变化。
（4）在AD7190 片外要将其模拟地和数字地连接在一起，中间用磁珠隔开，否则AD7190 将无法正常工作。
参考文献：
[1] ANALOG DEVICES.4.8kHz ultralow noise 24-Bit Sigma-Delta ADC with PGA [DB/OL].http：//www.analog.com/en/analog-to-digital-converters/ad-converters/ad7193/products/product.html.
[2] TEXAS INSTRUMENTS.MSP430x261x mixed signal microcontroller[DB/OL].http：//www.ti.com.
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[14] 郭虎生，颜冰；吴志东.水下观测平台姿态低功耗测量系统[J]. 鱼雷技术，2013（19）： 193-196.
[15] 乔爱民，何博侠，张炜.基于LS-SVM及嵌入式技术的力敏传感器温度补偿[J]. 传感技术学报，2013（05）：637-642.
（责任编辑：陈福时）
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