Аналого-цифровые преобразователи АЦП Maxim для систем сбора данных Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Є

Компоненты и технологии, № 5'2004 Компоненты

Аналого-цифровые преобразователи MAXIM

для систем сбора данных

Развитие цифровых технологий не снимает вопрос о преобразовании аналоговых сигналов: аналоговые датчики с их сферой применения от автомобилей до космоса пока еще не заменены на цифровые. Произойдет ли это в будущем, — неизвестно. Поэтому необходимость в аналого-цифровых преобразователях (АЦП) никем не оспаривается.

Николай Ракович

[email protected]

Компания МАХІМ выпускает широчайший ассортимент АЦП, которые находят применение в системах управления и сбора данных. Не все из заявленных производителем более 220 наименований датчиков применяются в СНГ, однако качество продукции МАХІМ провоцирует интерес к приборам компании по мере роста номенклатуры производимого электронного оборудования.

В этой статье будут рассмотрены только те АЦП, которые пригодны для создания систем сбора дан-

MUXOUT** ADCIN” OFFADJ

Рис. 1. Блок-схема системы сбора данных МАХ180/181

ных, то есть имеют несколько входов и могут работать сразу с несколькими сигналами.

МАХ180/181 является законченной В-канальной системой сбора данных (DAS) (рис. l), в состав которой входят мультиплексор на В/б входов, схема слежения-фиксации (Т/Н) с высокой пропускной способностью (частота выборки и оцифровки сигнала составляет l00 кГц), ИОН с низким уровнем дрейфа, микропроцессорный интерфейс. Эта ИС имеет низкое энергопотребление. Источник опорного напряжения, если необходимо, может быть и внешним, кроме того, возможна регулировка опорного напряжения и напряжения смещения, что позволяет свести к минимуму соответствующие погрешности. Через микропроцессорный интерфейс МАХ^О/Ш конфигурируется на преобразование униполярного или биполярного сигнала, а также на несимметричный или дифференциальный вход. Высокий входной импеданс позволяет значительно снизить требования к аналоговым датчикам.

Входной аналоговый сигнал через мультиплексор поступает на схему слежения-фиксации (рис. 2), реализованную во всех АЦП фирмы МАХІМ. Конденсатор на входе работает как фиксирующий и заряжается входным сигналом при каждом АЦ-пре-образовании через внутренний резистор l кОм, включенный последовательно со входом. В режиме несимметричного входа и между преобразованиями выбранный аналоговый вход подключается к фиксирующему конденсатору (режим слежения). При старте АЦ-преобразования конденсатор CHOLD отключается от входа. По завершении преобразования CHOLD снова подключается ко входу и заряжается входным сигналом. Это позволило избавиться от быстродействующего входного буфера, поскольку АЦП отключается от входа на время АЦ-преобразования. Этот принцип используется и при дифференциальном входе, причем максимальная ошибка составляет не более половины младшего разряда. Режим фиксации запускается через 3 такта после инициализации преобразования. Задержка между двумя АЦ-преобразованиями не превышает l00 пс.

е

Компоненты и технологии, № 5'2004

CSI

SCLKI

Л8

DIN ► SHDN ►

CHO^ CHI ► CH2 ► CH3^ CH4 ► CH5 ► CH6^ CH7 ► COM^

REFAD J 12 DCC И

INPUT

SHIFT

REGISTER

CONTROL

LOGIC

ANALOG

INPUT

MUX

I NT CLOCK

T/H

OUTPUT SHIFT REGISTER

і

CLOCK IN 12-BIT SAR ADCOUT -REF

+ 1.22V REFERENCE

A =2.05*

+2.500V

УИ/ХІЛ1

MAX12B0 MAXI 281

-+■ DOUT SSTRB

I Vddi

IVDD2

IGND

Рис. 3. Блок-схема системы сбора данных МАХ1280/1281

Входная схема слежения позволяет работать с большими сигналами и с широкой полосой пропускания, не накладывая ограничений на фронты сигнала, в отличие от многих АЦП других фирм. Полоса пропускания МАХ180/181 составляет 6 МГц, что более чем достаточно для измерения периодических сигналов с полосой, превышающей частоту выборки АЦП (100 кГц), с помощью метода подвыборки (и^ематрН^).

Если есть проблемы с параллельной передачей (12 разрядов) данных преобразования (минимум 12 проводов для данных + «земля»), то уменьшить количество проводов можно, применив АЦП с последовательным выходом. Среди 12-разрядных АЦП для сбора данных МАХ1280/1281 имеет 8-канальный входной аналоговый мультиплексор, низкое энергопотребление (2,5 мА в режиме АЦ-преобразова-ния) и 4-проводной последовательный интерфейс, совместимый с БР1, QSPI, М1СКС^АКЕ, ТМБ320 (блок-схема показана на рис. 3). Этот интерфейс непосредственно подключается к приборам БР1, QSPI, MICROWARE без дополнительной логики, а для прямого подключения к процессорам семейства ТМБ320 служит выход последовательного строба. Для преобразования аналогового сигнала в 12-разрядный цифровой сигнал используется схема слежения-фиксации и метод последовательного приближения.

В составе схемы входа имеется:

• мультиплексор;

• схема слежения-фиксации;

• компаратор;

• ИОН;

• цифроаналоговый преобразователь на переключаемых конденсаторах (рис. 4).

При несимметричном входе сигнал поступает на выбранный канал и на вывод СОМ, В дифференциальном режиме сигнал подается на одну из пар: СН0/СН1, СН2/СН3, СН4/СН5 или СН6/СН7. Конфигурация входа на самом деле является псевдодифференциальной, так как выполняется выборка сигнала по положительному входу, а обратная связь осуществляется через конденсатор выборки (не должна быть больше ±0,5 МЗР). Если сигнал обратной связи меняется, то его амплитуда и частота ограничиваются допустимой погрешностью.

Время, необходимое для приема входного сигнала, зависит оттого, насколько быстро заряжается конденсатор на входе. Для уменьшения нелинейных искажений импеданс источника входного сигнала должен быть минимальным. Этот импеданс определяет также время, необходимое для захвата входного аналогового сигнала: чем больше импеданс, тем больше время захвата и, соответственно, больше интервал между преобразованиями. Время захвата определяется по формуле:

tl = 9(Rs + Rin) x 12 пФ

При Rin = В00 Ом tl никогда не будет меньше 468 не (МАХ12В0) или 625 нс (МАХ12В1).

сно-сн1 -

СН2 -

снз-

СН4-

СН5-

СН6-

СН7-

СН8-

GND —

REF — INPUT „ MUX

•V

Q Qswitch 6pF

CAPACITATiVE I DAC

ЧЕ

Chold

12pF

I

— О

D

hold!

‘ /

0 TRACK

rin

800П

COMPARATOR

AT THE SAMPLING INSTANT,

THE MUX INPUT SWITCHES FROM THE SELECTED IN+ CHANNELTO THE SELECTED IN- CHANNEL.

1--------VDDi/2

Рис. 4. Блок-схема входного каскада МАХ1280/1281

Импеданс источника входного сигнала менее

2 кОм практически не влияет на быстродействие АЦП.

В тех случаях, когда необходимы большие возможности, но передача данных по-прежнему возможна только через последовательный интерфейс, причем З-проводной, используют МАХ1227/1229/1231. Эти многоканальные АЦП с низким потреблением (0,62 мА при 300 ksps и напряжении питания

3 В) имеют встроенный датчик температуры и буфер FIFO. МАХ1227/1229/1231 поддерживают режим сканирования, режим внутреннего тактового генератора, усреднения и AutoShutdown™. Все входные каналы конфигурируются как несимметричные или как дифференциальные входы, то есть МАХ1231 имеет 16 несимметричных входных каналов или В дифференциальных, МАХ 1229 — 12 несимметричных или 6 дифференциальных, МАХ1227 — В и 4 соответственно. Упрощенная блок-схема приведена на рис. 5,

В буфере FIFO можно хранить до 16 результатов АЦ-преобразования и один — измерения температуры, что позволяет АЦП выполнять преобразования и измерение температуры без оглядки на последовательную шину. Если буфер заполнен и дальнейшие результаты преобразования запрашиваются без чтения из буфера, то новые результаты записываются поверх старых. Каждый результат состоит из двух байтов, причем четыре старших разряда — нули. Данные появляются на выводе DOUT начиная со старшего разряда по срезу сигнала CS. Если буфер FIFO пуст, то на выводе DOUT устанавливается ноль.

Первые два байта данных, считанные после измерения температуры, всегда содержат результат этого измерения, начиная со старшего бита, четыре первых — нули. В случае, когда температура измеряется до того, как был считан предыдущий результат такого измерения, новые данные записываются вместо старых. Температура измеряется в градусах Цельсия с разрешением 1/В °С,

В качестве датчика температуры в МАХ1227/ 1229/1231 применяется транзистор в диодном включении. Ток через диод изменяется от 6В до 4 мкА, формируя температурозависимую разность потенциалов. Результат пре----------------------------------- 31

е

Компоненты и технологии, № 5'2004

УИуіХІУИ

MAXI З16-MAXI 318 MAXI 320-MAXI 322 MAXI 324-MAXI 326

INTCLK/EXTCLK ■ AGND-

Рис. 6. Блок-схема семейства MАX13хх

образования при 4 мкА вычитается из результата, полученного при 68 мкА, для вычисления цифрового значения, пропорционального абсолютной температуре. Данные на выводе БСиТ — этот цифровой код (минус смещение — для перехода от шкалы Кельвина к шкале Цельсия).

Опорное напряжение, используемое при измерении температуры, формируется на основе внутреннего ИОН, обеспечивая соотношение единицы младшего разряда 1/8 °С.

Следующим семейством среди рассматриваемых систем сбора данных являются 14-разрядные МАХ13хх. Эти АЦП имеют от двух до восьми входных каналов (с независимым выбором каждого канала), каждый из которых имеет свою собственную схему слежения-фиксации (блок-схема на рис. 6). Одновременная выборка по всем активным каналам позволяет считывать информацию с фиксацией относительного сдвига фаз, что позволяет использовать эти приборы в системах управления двигателями и устройствах контроля мощности. Диапазон входных напряжений составляет 0...+5 В; ±5 В и ±10 В (табл. 1). АЦ-преобразование выполняется за 2 мкс при двух активных каналах и за 3,8 мкс при всех восьми подключенных каналах с максимальной пропускной способностью 263 кзря на канал. Возможность работы от внутренних

Таблица 1. Характеристики МАХ13хх

Наименование Входной диапазон, В Количество каналов

MАX1316ЕСM G...+5 8

MАX1317ЕСM G...+5 4

MАX^31BЕСM G...+5 2

MАX1320ЕСM ±5 8

MАX1321ЕСM ±5 4

MАX1322ЕСM ±5 2

MАX1324ЕСM ±10 8

MАX1325ЕСM ±10 4

MАX1326ЕСM ±10 2

или внешних ИОН и тактового генератора упрощает применение этих ИС. Регистр конфигурации с режимом «только для записи» позволяет маскировать неиспользуемые каналы, а стандартные возможности по питанию (у приборов фирмы МАХІМ) — снизить потребление. Результат преобразования аналогового сигнала формируется на 14-разрядной параллельной шине данных (частота 16,6 МГц).

Как уже отмечалось, для получения точных фазовых соотношений каждый канал МАХ13хх имеет отдельный усилитель слежения-фиксации (Т/Н). Для этого семейства время захвата определяется по формуле:

11 = 10(К5 + Б.іп) х 6 пФ

При Иіп = 2,2 кОм И никогда не будет меньше 180 нс. Импеданс источника входного сигнала менее 100 Ом практически не влияет на быстродействие АЦП.

Апертурная задержка схемы слежения-фиксации составляет 13 нс. Разница в 50 пс между каналами позволяет обрабатывать входные сигналы без потери информации о фазовом сдвиге.

Полоса пропускания схемы Т/Н составляет 12 МГц в режиме малого сигнала, что дает возможность оцифровывать быстрые переходные процессы и измерять периодические сигналы с полосой, превышающей частоту выборки АЦП, с использованием метода подвыборки. Фильтр устранения наложения спектров не будет лишним при работе с высокочастотными сигналами.

Встроенная схема защиты от перенапряжения по входу обеспечивает защиту от КЗ на уровне ±16,5 В для приборов с биполярным входом и на уровне ±6,0 В — с униполярным. Суть защиты — ограничение тока (не более 50 мА на входе и выходе) и дополнительная защита от мгновенных бросков напряжения на аналоговом входе.

В режиме отключения (shutdown) резко снижается потребление: не более 100 мкА по аналоговому питанию и 100 мкА — по цифровому. Установка режима выполняется высоким уровнем на выводе SHDN. После выхода из режима отключения при использовании внешнего тактового генератора АЦ-преобразование можно начинать через 20 тактов, при использовании внутреннего генератора это время составляет 2 мкс.

В МАХ13хх реализована функция ALLON (все включены), применяемая в тех случаях, когда выбрано несколько каналов ввода. Высокий уровень на выводе ALLON включает все входные каналы, независимо от того, выбраны они активными в регистре конфигурации или нет. Если на выводе ALLON низкий уровень или он заземлен, то включены только каналы, активизированные через регистр конфигурации. Экономия — 2 мА на канал. Время запуска после отключения для любого канала из регистра конфигурации составляет 2 мкс при низком уровне на ALLON; при высоком уровне время запуска составляет всего 0,01 мкс.

Во многих случаях для получения 14-разрядной точности необходим входной буфер. Хотя скорость нарастания выходного напряжения и полоса пропускания и являются важными параметрами, но наиболее критично время установления. Для выборки требуется относительно короткий интервал в 150 нс. В начале захвата внутренний конденсатор выборки подключается к выходу усилителя, что приводит к некоторому возмущению на выходе. Следовательно, для получения 14-разрядной точности в интервале установления необходим усилитель, стабильно работающий на емкостную нагрузку АЦП (например, малошумящий широкополосный МАХ4350 или МАХ4265 с низким уровнем искажений).

Разрешающая способность ИС семейства МАХ13хх зависит от типа входного сигнала, входного диапазона и источника опорного напряжения. Для МАХ1324/1325/1326 (±10 В входного диапазона) полный диапазон входного сигнала в 8 раз превышает опорное напряжение (20 В при +2,5 В ИОН). Разрешение определяется так:

МЗР = В x Vион/214,

что равно 1,2207 мВ при +2,5 В опорного напряжения.

Для МАХ1320/1321/1322 (±5 В входного диапазона):

МЗР = 4 х V /214,

т: V ИоН/ ^ 5

или 0,6104 мВ при использовании внутреннего ИОН.

Для МАХ1316/1317/1318 (входной диапазон от 0 до +5 В):

МЗР = 2 х Vион/214,

или 0,3052 мВ при использовании внутреннего ИОН.

Среди 16-разрядных АЦП, предназначенных для систем сбора данных, остановимся на семействах МАХ1167/1168 и МАХ14хх.

е

Компоненты и технологии, № 5'2004

МАХ1167/1168 — 16-разразрядные многоканальные АЦП последовательного приближения с низким потреблением, встроенным ИОН на +4,096 В, внутренним опорным генератором, автоматическим отключением и быстродействующим интерфейсом БР1^БР1/ MICRСWIRE. Эти ИС работают от аналогового источника +5 В, а отдельный источник цифрового питания позволяет напрямую работать с цифровой логикой (от +2,7 до +5,5 В).

Максимальный ток потребления составляет 2,9 мА при 200 к8р8 и использовании внешнего источника опорного напряжения. Система AutoShutdown снижает потребление до 145 мкА при 10 кэрэ.

В состав МАХ1167 входит 4-канальный мультиплексор, а МАХ1168 работает с 8 аналоговыми входами. Выводы DSPR и ЭБРХ позволяют МАХ1168 напрямую работать с цифровыми сигнальными процессорами без связующей внешней логики. Помимо этого, в МАХ1168 предусмотрена возможность выбора между 8- и 16-разрядной передачей данных. В МАХ1167/1168 реализован режим сканирования, при котором все каналы последовательно опрашиваются или опрашивается один канал постоянно. Блок-схема МАХ1168 приведена на рис. 7.

Завершая краткий обзор АЦП фирмы МАХШ для систем сбора данных, необходимо упомянуть о АЦП семейства МАХ14хх, которые определяются как многоканальные системы сбора данных общего назначения с низким энергопотреблением (табл. 2). Эти приборы оптимизированы для применения в устройствах с малой потребляемой мощностью и работают от +2,7 до +3,6 В, а потребляемый ток не превышает 1,15 мА в рабочем режиме и 2,5 мкА — в «спящем» режиме.

Таблица 2. Характеристики МАХ14хх

Наиме- нование Коли- чество входов ЦАП Выход с тремя состояниями Порог компаратора наличия сигнала, мВ

MАX1407 4 2 + 0

MАX1414 4 2 + 50

MАX1408 8 0 + 0

MАX1409 1 1 - 0

МАХ1407/МАХ1408/МАХ1409/МАХ1414 представляют собой 16-разрядные сигма-дельта АЦП, в состав которых входят:

• два 10-разрядных ЦАП;

• часы реального времени с «будильником»;

• компаратор наличия сигнала;

• два монитора напряжения питания;

• схема выхода из «спящего» режима;

• система фазовой автоподстройки частоты (блок-схема на рис. 8).

Все ИС этого семейства могут напрямую подключаться к различным датчикам и имеют выход с тремя состояниями. Через 4-про-водной интерфейс программируется частота преобразования и коэффициент усиления входного усилителя, что позволяет легко адаптироваться для любых приложений.

В качестве источника опорного напряжения и для АЦП, и для ЦАП используется прецизионный встроенный источник 1,25 В с низким уровнем дрейфа (на основе запрещенной зо--------------------www.finestreet.ru -

REFCAP

AVn

DVr,

Рис. 7. Блок-схема АЦП МАХ1167/1168 (на примере МАХ1168)

AVr,,

CPLL FOUT CLKIN CLKOUT

О

S<~LK

ГИІЧІ

DOUT4-

IN3-IN2-IN1 — IN0-

SERIAL

INTERFACE

А

2.4576MHz

PLL

32.768kHz

OSCILLATOR

RTC AND ALARM

WAKE-UP

LOGIC

OUT2-

OUT1-

REF—►

avdd-H

8:1

INPUT

MUX

FB2-FB1 — IN3— IN2— INI — IN0— REF-AGND-

Л1ИХІЛ1

MAXU07/MAXUU

" ---------->

8:1

INPUT —

MUX

INTERRUPT

GENERATOR

„ 16-BIT ADC

DIGITAL

OUTPUT

RESET

GENERATOR

— WU2

— win

>SHDN

- INT

- DRDY

-OUT1

-FBI

-OUT2

-FB2

I JL

AGND RESET REF

Рис. 8. Блок-схема MАX14хх (на примере MАX1407/1414

ны). В часах реального времени ^ТС) учитываются високосные годы (так как он рассчитан до 9999 года) и имеется функция сигнализации, которая может использоваться для вывода системы из «спячки» либо для формирования прерывания в установленное время.

Для разделения аналоговых входов от емкостной нагрузки АЦП (конденсатор выборки), в МАХ14хх имеются входные буферы, которые снижают влияние смещения по постоянному току и низкочастотный шум. Так как ток потребления этих каскадов составляет 220 мкА (до 25% всей потребляемой

мощности), то возможно их отключение (индивидуальное) в тех случаях, когда необходим минимум потребления или когда емкостная нагрузка не критична.

В МАХ14хх заложена возможность цифровой коррекции смещения, вызванного колебаниями питания или температуры. После калибровки в регистр смещения заносится 16-разрядная величина этого смещения, которая вычитается из результата АЦ-преобразования.

Более подробные описания этих АЦП можно найти на сайтах www.maxim-ic.com и www.rtcs.ru.