多通道模數轉換芯片ADS7956的原理及應用

王曉君 曹光耀 王星

摘要：ADS7956是美國TI公司推出的一款多通道高精度的A/D轉換芯片，它采用的是電壓輸入、邏輯控制、SPI數據串行輸出，并具有多通道采集，分辨率高，功耗低，速度快，性能也十分穩定等特點。首先簡要介紹了該芯片ADS7956的性能特點和結構，然后重點分析了串口邏輯時序，討論了可以設定的三種工作模式，最后給出了該芯片一般的電路應用和部分編程代碼，希望在今后的開發應用中，可以對相關的專業人士有一定的指導作用。

關鍵詞：模數轉換;多通道;ADS7956;SPI串行輸出

中圖分類號：TN79+2? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1009-3044（2018）34-0227-03

高性能多通道的模數轉換芯片被廣泛應用于通信、計算機和醫療設備等領域，對國民經濟、國防建設以及科學研究具有重要意義。一些特定設備需要同時采集多路信號，并且對信號處理的實時性要求非常高，于是分辨率高、通道數多、可靠性能高、低功耗、響應快的AD芯片越來越受到關注和應用。

1 性能特點

ADS79XX是TI（德州儀器）公司制造的多通道高精度的A/D轉換芯片系列。而ADS7956是其中一款單5V供電，12通道的A/D轉換芯片，是通道數最多的一種。它采用了成熟的CMOS制作工藝，電容性的再區分設計方法，在模擬輸入端有一個電容陣列，使得這種SAR模數轉換器時間延遲較短，可以滿足DSP，MCU，FPGA等系統的快速性要求，具有很好的實時性。ADS7956擁有10bit的采樣分辨率;47MHz的輸入帶寬和20MHZ的串行通信速率;最低有效位穩定至1LSB;輸入電壓信號的最大值取決于外部參考電壓REFP，可以選擇外接一個電壓源，它的范圍為2.7～5.25V;持續工作時典型功耗為14.5mW;具有超寬的工作溫度范圍：-40～+125°C。此芯片還擁有手動、自動1和自動2這三種工作模式，每種模式都要通過程序控制寄存器進行設置，來選擇通道采集的工作方法。

2 芯片結構

ADS7956內部包含ADC轉換單元、比較器、報警閾值單元和邏輯控制時序單元等。APIN引腳是ADC的輸入口，而多路復用器輸出在MXO的引腳上。通常將二者相連接，可以獨立處理每個多路通道的信號輸入。源阻抗可以設置在50Ω到10KΩ的范圍內，如果一旦源阻比較大，另一種選擇是MXO與AINP引腳之間可以連接一個運算放大器，添加一個通用的ADC驅動程序緩沖區。這可以在很大程度上放松對源阻抗的限制。

ADS7956設有報警閾值功能，一般根據自身需要來使用。Ch0—Ch11共12個通道，每個通道有兩個警報程序寄存器，一個用于設置高警報閾值，另一個用于設置低報警閾值。警報程序寄存器中后10位的數據表示警報閾值，將10位報警閾值與上10位轉換結果進行比較。當轉換結果更高（高報警）或更低（地報警）時就會觸發警報。從通道采集到模擬值，經AD轉換，報警閾值比較后，輸出數據在SDO上。ADS7956的內部結構框圖如圖1所示。

SCLK為時鐘信號，SDO為輸出的數據位，每一幀都以CS的下降沿開始。隨著CS信號的下降，選擇的輸入信號通道被取樣，轉換過程被啟動。設備在轉換的過程中同時輸出數據，16位的數據字包含一個4位通道地址，然后是10位的轉換結果。數據按最高有效位（Most Significant Bit，MSB）優先的方式逐位寫入移位寄存器。

在可編程通道選擇方式下，通道的選擇是根據在模式控制寄存器中設定工作模式，再對數據位進行配置確定的。ADS7956有三種工作模式，即手動模式、自動1模式和自動2模式。在手動模式下，對于每一個通道的選擇，其通道地址必須單獨配置，比較繁瑣。自動1模式下，通道計數器可以在每次轉換后自動增加到下一個通道，也可以重置到最低的編程通道。自動2模式下，通道計數器也會在每次轉換后自動增加。按著升序方式，自動掃描從第0通道到通過程序寄存器配置的最后一個通道。三種模式下，都有模式控制寄存器可以設置。只有自動1和自動2模式下有程序控制寄存器可以設置。例如表1為手動模式控制寄存器設置。

4 典型的電路接法

性能良好的轉換器需要一個干凈、低噪音、良好解耦的參考電壓。因為REF5025系列芯片具有很好的穩定性，可以使用在高精度的數據采集系統中，所以我們將ADS7956參考信號輸入端REF連接REF5025的輸出信號。當然，要在REF5025的輸出引腳6與4之間接入一個10uF電容，起到對接入ADS芯片的信號進行濾波的作用，使測得的信號的數值更加精確穩定。SPI的串行通信接口SDO、SDI、SCLK、和CS引腳引出后可以與主CPU相連接，進行通信。電路如下圖3所示：

6 結語

本文介紹的多通道模數轉換芯片ADS7956具有串行輸出，功耗少，成本低，精度高，速度快等特點，并且易于擴展，不易受干擾。如配合適當的信號調理電路和其他外圍電路，此芯片可以輸出高質量的波形信號，可以廣泛地應用于高精度的控制場合、波形產生電路或精密儀器中。

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