摘 要： 详细阐述了24位Δ－Σ型模拟／数字转换器ADS1210/1211的结构、原理及特点,并以数字电压表为例介绍了它的应用,给出了相关电路图和主程序框图。

    关键词： A/D转换器 校准 加速模式 采样频率 转换速度 抽取率

    １ ADS1210/1211概述

    ADS1210/1211是高精度、宽动态特性的Δ－Σ型模拟／数字转换器。它的差动输入端可以直接与传感器或微小的电压信号相连。其内部的Δ－Σ结构可确保它的宽动态特性和24位的分辨率。由于采用了低噪声的输入放大器,可以在转换速度为10Hz时获得23位的有效分辨率;借助于其内部独特的调制器加速操作模式,在转换速度为1kHz时仍可达到20位的有效分辨率。该转换器动态特性的大大提高主要依赖于其前级的低噪声程控放大器,其放大倍数可从1到16进行设定,以2倍步长增加。该A/D转换器都有一个灵活的同步串行接口,它与SPI兼容并且可以提供双线控制模式。该A/D转换器为单一+5V供电,有内／外参考电压和内部自校准系统。ADS1210/1211主要用于工业过程控制、仪器仪表、色谱分析、灵巧传感器、便携式仪表、称重仪器、压力传感器、高分辨率测量场合。

    ２ADS1210引脚功能

    ADS1210是单通道的A/D转换器,ADS1211多了一个４通道多路开关。ADS1210的封装形式有18脚双列直插式和18线贴片式。引脚排列如图１所示。ADS1210各引脚的功能如表１所示。

    ３ ADS1210/1211的结构及工作原理

    ADS1210/1211由程控增益放大器、二阶Δ－Σ调制器、程控数字滤波器和微处理器组成。微处理器中有指令寄存器、命令寄存器、校准寄存器、串行接口、时钟产生电路和2.5V的内部参考电压电路。此外,ADS1211还有一个４路的多路开关。ADS1210/1211的结构如图2所示。

    为了提高系统的动态特性,ADS1210/1211采用了一种独特的电容切换结构来提高输入电容的采样速度,从而可以使系统工作在加速模式（Turbo Mode)下。通常情况下,在系统时钟为10MHz时对应的采样速度为19.5kHz,利用它可将调制器的采样速度以2、4、8、16倍的速度增加,将采样速度提高到39kHz、78kHz、156kHz或312kHz。随着采样速度（频率）的增加,在转换速度不变的情况下,A/D转换器的有效分辨率会相应地增加。采样速度的每一次提升,在转换速度不变的情况下都会使系统的动态性能大大提高。有关加速因子(TMR)、转换速度和有效分辨率三者之间的关系如表２所示。

    ADS1210/1211的程控增益放大器（PGA）的增益设置为1、2、4、8或16。从本质上讲,它增加了系统的动态范围,简化了与传感器的接口。程控增益是通过输入电容改变采样次数来实现的。例如,采样频率为19.5kHz时PGA的增益为1;采样频率为312kHz时PGA的增益为16。由于加速模式和PGA的增益都是通过改变采样次数来实现的,所以PGA的增益和加速因子（TMR）的乘积应≤16,如表3所示。

    ADS1210/1211输出数据的速度可以从几Hz到高达15625kHz,速度愈高,分辨率愈低。改变ADS1210/1211的转换速度不会改变输入电容的采样速度,但会影响用于计算每次输出结果的采样数据的个数。

    ADS1210/1211内部还有一个完整的自校正系统,用于校正内部偏差、增益误差及一些外部误差。内部校准操作可在需要时进行,也可以自动或连续地进行校准,但必须为ADS1210/1211提供适当的输入电压。与此相对应的校准寄存器既可读又可写,这一特性使得用户可以在多种情况下——不同的转换速度、不同的TMR以及不同的PGA增益之间进行切换而不必重新校准。

    ADS1210/1211的各种参数如增益、加速因子、模式选择及寄存器数据都是经过一个同步串行接口进行读／写的。该接口可工作在自供时钟模式（主模式）和外供时钟模式（从模式）下。在主模式下,串行时钟的频率（SCLK）为ADS1210/1211时钟频率XIN的1/2。在很多场合,串行时钟的频率是一个需要考虑的重要的参数,因为它决定了ADS1210/1211能够采用的最大时钟频率。在这里,需要明确几个概念：

     、SDIO和SCLK。它们是数据准备就绪线、数据输入输出线和时钟信号线,分别接至87C51单片机P1口的P1.1、P1.2和P1.3引脚。

    4.3 程序设计

    根据设计任务的要求,本系统是一个程控数字电压表,我们可写出主程序的流程图,如图4所示。具体程序从略。