高速多通道同步采樣ADC MAX1312及其應用

【摘要】闡述了MAX1312的特性和工作原理，介紹了MAX1312與通用8位微處理器AT89C52的硬件接口設計以及軟件編程方法，最后簡述了該模數轉換器在多相電機控制中的應用。

【關鍵詞】模數轉換器；多通道；同步采樣；MAX1312

Abstract：The principle，features and application of multi-channel synchronized sample ADC MAX1312 are introduced，including its hardware interface design and software programming method between MAX1312 and Micro-processor.AT89C52.At last，it describes the application of MAX1312 in controlling the polyphase electric engine.

Keywords：A/D converter；multi-channel；synchronized sample；MAX1312

1.引言

在電子測量技術中，必須把模擬信號轉換為數字信號，才能夠用計算機系統進行處理，模/數轉換的速度和精度一直是測量的關鍵。但是高速和高精確度的轉換器仍然難以滿足某些特殊場合的要求，例如：在多相電機控制、多相電源監控等場合，要求對多路數據進行精確同步的采集，一般的單通道A/D和多通道輪流采集A/D都不滿足這種場合的要求。MAX1312是美國美信公司（MAXIM）新推出的一種高速同步采樣模數轉換器，它具有12位的精度，8路模擬信號輸入，單電源+5V供電，完成8個通道的轉換時間僅需要1.96us，對外提供了一個12位20MHZ并行數字接口，可以很方便與各種微處理器相連接，使用十分方便[1]。

2.MAX1312簡介

MAX1312是美國美信公司（MAXIM）新推出的多通道同步采樣、并行輸出模數轉換器。采用TQFP48封裝，引腳形式如圖1所示。

其中：

CH0-CH7為八路模擬信號的輸入端；

D0-D7為八位雙向數據總線，用來寫入控制字或讀出低8位轉換結果；

D8-D11為高四位數據輸出口，當RD=1或CS=1時為高阻狀態；

CS為片選引腳低電平有效，低電平將激活數字接口，保持高電平時，數字總線為高阻狀態；

WR為寫輸入引腳，將該引腳置低電平啟動一次寫指令，用D0-D7進行通道配置；

RD讀輸入，將該引腳置低電平啟動一次并行數據總線讀指令；

CONVST為啟動轉換輸入，將CONVST驅動為高電平來啟動轉換過程，模擬輸入在其上升沿采樣；

EOC為轉換結束輸出，EOC跳變到低電平表明一次轉換的結束，在下一個CLK上升沿或CONVST下降沿時跳變回高電平；

EOLC為最后轉換結束輸出，EOLC跳變到低電平表明最后一個通道的轉換結束；

當CONVST跳變到低電平為下一次轉換時序做準備時，跳變到高電平；

INTCLK/EXTCLK為時鐘選擇輸入端；

CLK外部時鐘輸入。

MAX1312只需要單電源+5V供電，通道的選擇可由寫入不同的控制字來實現，每個輸入通道模擬電平的范圍為：±10V。使用戶非常方便的與輸出信號為4-20mA的非電量變送器或±12V和±5V供電的傳感器接口。該芯片提供數據讀取并行接口方式，可與任何標準的微處理器簡便聯結，因此廣泛應用于工業控制，數據采集，電機調速等系統中。

其主要特性如下：

（1）單電源供電：+5V，使用十分方便；

（2）分辨率：12位；

（3）8個模擬輸入通道，可同時采樣；

（4）轉換時間：單通道0.72us，雙通道0.9us，四通道1.26us，八通道1.98us；

（5）內部時鐘模式或外部時鐘模式；

（6）內部4.096V電壓源或外接基準電壓源；

（7）通道關斷模式低功耗省電模式；

（8）48腳TQFP封裝（7mm×7mm）。

3.工作原理

MAX1312有單極性和雙極性兩種工作模式，圖1也給出了雙極性模式下的工作電路。圖1中：REF+正基準旁路，用一個0.1uF電容將其旁路到AGND，同時用一個2.2uF電容和一個0.1uF電容將其旁路到REF-。COM基準公共端旁路，用一個2.2uF電容和一個0.1uF電容將其旁路到AGND。REF-負基準旁路，用一個0.1uF電容將其旁路到AGND，同時用一個2.2uF電容和一個0.1uF電容將其旁路到REF+。應將所有的DGND引腳連接在一起。將所有DVDD引腳連在一起，并用一個0.1uF電容將其旁路到DGND。SHDN關斷輸入，SHDN驅動為高電平時將器件置為關斷模式，標準工作模式下SHDN與DGND連接。CHSHDN低電平有效，模擬輸入通道關斷控制輸入端，低電平時配置寄存器中未被選擇進行轉換的模擬輸入通道被關斷，高電平時，所有通道都有效，無論是否被配置。

上電復位時，所有通道都被選中進行轉換，加上電源后，允許經過1MS的喚醒時間，然后啟動一次虛擬轉換，并放棄轉換結果，在虛擬轉換完成后，才可以進行精確的轉換。

MAX1312的工作方式因用戶所選擇的時鐘模式和基準電源模式的不同而有所不同。有兩種時鐘模式可供選擇：即內部時鐘模式和外部時鐘模式。內部時鐘模式將微處理器從提供ADC轉換時鐘的負擔中解放出來，為實現內部時鐘模式，將INTCLK/EXTCLK與AVDD相連，CLK與DGND相連。外部時鐘將INTCLK/EXTCLK與AGND相連，外部時鐘源連接到CLK，最高可達20MHZ，不能低于100KHZ否則線性度不能保證。基準電源的提供也分為兩種方式。內部基準模式下，用一個不低于0.01uF的電容將REFMS/REF節點旁路到AGND。外部模式下，用+2V至+3V的外部電壓驅動REFMS/REF節點。

工作時，輸入通道可以通過對配置寄存器的寫操作來進行控制。8位配置寄存器D0-D7分別對應相應的輸入通道CH0-CH7，把任位置1將激活相應的輸入通道，上電時默認8個通道都處于激活狀態。寫配置寄存器時，將CS和WR設為低電平，然后將D0-D7位裝載到并行總線，再將WR置為高電平，數據在上升沿鎖存，在轉換時序的任意時刻都能夠對其進行寫操作。寫操作時序如圖2所示。

所有有效通道的同時采樣都保留了相關的相位信息，非常適合電機控制與電源監視。為保留多通道的相位信息，所有的輸入通道都有專用的T/H放大器，輸入T/H電路受CONVST輸入的控制，當CONVST為低電平時，T/H電路跟隨模擬輸入，當其為高電平時T/H電路將保持模擬輸入。上升沿是模擬輸入的采樣時間。為保證達到12位的精度，CONVST的低電平至少保持100ns。雖然更長的采樣時間可以是轉換輸出更接近模擬輸入，但是采樣時間的最大值應限制在1ms以內，若轉換時間超過1ms，輸入電路中電容器的電壓跌落回使轉換精度得不到保證。

內部時鐘模式下啟動一次轉換，需在采樣時間內將CONVST置低電平。當CONVST為低電平時，T/H捕獲信號，在上升沿轉換開始。一旦能夠讀取轉換結果，轉換結束信號EOC將給出一個低電平脈沖。當最后一個通道的轉換結果而已被讀取時，EOLC跳變為低電平。

因此MAX1312的轉換結果可以通過兩種方式進行讀取。

1）轉換周期中啟動讀操作，時序如圖3所示

CS可以一直保持低電平或僅在RD周期里保持低電平，也可以與RD信號相同。內部時鐘模式下，EOC 900ns內跳變到低電平，外部時鐘模式下13個CLK周期的上升沿跳變到低電平。為了讀取轉換結果，將CS和RD置低電平，使數據鎖存到并行數據輸出總線。然后將RD置為高電平釋放數字總線，內部時鐘模式下，下一個EOC下降沿在225ns以內出現。外部時鐘模式下，在三個CLK周期內出現，當最終轉換結果可以讀取時EOLC跳變到低電平。

2）轉換結束后讀取，時序如圖4所示

CS，RD低電平，RD連續的低電平脈沖將轉換結果順次放到總線上，時序中最后一個轉換結果讀取后，額外的讀脈沖可以使指針重新指向第一個轉換結果。

4.MAX1312與8位微處理器的接口電路設計

在多相電機的控制中通常需要對每一相的數據進行同步采集，一般解決的方法有兩種：一種是通過微處理器去控制多個采樣保持器進行多相數據的同步采樣；另一種是多相數據輪流采集，然后通過一定的軟件方法進行修正。采用MAX1312設計多相電機控制電路，不僅可以降低硬件的復雜度（不用外加采樣保持器）和成本，更避免了用微處理器去完成復雜的修正算法。以下給出了MAX1312和通用8位微處理器AT89C52之間的硬件接口電路設計。由于MAX1312芯片的數據輸出沒有設置可控制的門電路，12位數據一次同時出現在數據總線上，因此不能和只有8位數據總線的微處理器AT89C52直接相連。為此，在電路中設置8155的并行I/O通道作為MAX1312的輸出數據傳送通道，8155的PA口連接MAX1312的低8位數據輸出，PB口低四位連接MAX1312的高4位數據輸出。設計采用8路通道轉換完后讀取轉換結果。

用AT89C52的P2.0控制MAX1312的片選輸入，P2.1啟動A/D轉換，P2.2轉換結果讀控制線。下面給出AD部分示例程序：

MOV R0， #20H ；存放數據首地址

MOV R1， #08H ；采集通道數

MOV DPTR，#7F00H ；送控制字0C到8155

MOV A， #0CH

MOV @DPTR，A ；使PA，PB，為基本輸入方式

CLR P2.0 ；使能A/D

SETB P2.2

SETB P2.1

CLR P2.1 ；啟動A/D轉換

DELAY

SETB P2.1

MOV DPTR， #7F02H

MOVX A， @DPTR

JNB ACC.7， ADEND ；轉換結束？讀取結果

ADEND： CLR P2.2 ；讀使能

MOV DPTR， #7F01H

MOVX A， @DPTR ；讀取低8位轉換結果

MOV @R0， A ；保存到20H

INC DPTR

INC R0

MOVX A， @DPTR ；讀取轉換結果高4位

MOV @R0， A ；保存到21H

SETB P2.2

DJNZ R1， ADEND

……轉數據處理程序

5.結語

實驗結果表明，以MAX1312多通道高速同步采樣ADC和AT89C52微處理器為核心的控制模塊可以實現對多相電機的各相數據的實時檢測，是實現多相電機控制的一種簡單而實用的方法。

參考文獻

[1]MAXIM產品資料全集[Z].（美國）美信集成產品公司， 2004.

[2]李華等.MCS-51系列單片機應用接口技術[M].北京航空航天大學出版社，1997，8.

[3]陳錕，危立輝.基于單片機的直流電機調速器控制電路[J].中南民族大學學報（自然科學版）2003，9：43-45.

作者簡介：朱紅育（1979—），男，陜西渭南人，碩士，工程師，現供職于西安科醞警通工貿有限公司，主要從事電子技術及計算機硬件的研究工作。