AD7891采集多路模擬量的時序控制

張濤

摘要

AD7891是一種多通道模擬數據采集系統，在多路模擬量的實際采集中，由于對通道切換和啟動轉換時序控制不嚴格，經常會出現數據錯誤。本文介紹了AD7891芯片的功能特點和使用方法，并以AD7891-1與某DSP的并行接口應用為例，詳細描述了在通道切換和啟動轉換之間的時序控制。

【關鍵詞】模擬數據采集 時序控制 AD7891

1 概述

AD7891是美國ADI公司推出的一款12位數據采集系統（DAS），具有并行和串行兩種工作模式，內置輸入多路復用器、采樣保持放大器、12位高速ADC、+2.5V基準源和高速接口電路，并具有8個帶過壓保護的模擬信號輸入通道，工作電壓為+5V，工作溫度為-40℃～+85℃，采用單電源供電，功耗低，可接受多種輸入信號范圍：AD7891-1（±5V和±10V）及AD7891-2（0V至+2.5V、0V至+5V和±2.5V），采用44針的PLCC和PQFP兩種封裝。

AD7891通過MODE引腳來選擇并行或串行工作模式，無論哪種模式，均能提供標準控制輸入及快速數據訪問時間特性，模數轉換時間為1.6us。

2發問題描述

基于某DSP的產品通過AD7891-1采集多路模擬電壓信號，DSP與AD7891-1采用并行接口連接電路，在進行低溫工作測試時，出現采集數據跳變的故障現象，問題定位為DSP中AD采集軟件模塊對AD7891芯片的使用方法不當。

3 機理分析

3.1 轉換控制和通道選擇

AD7891可以使用硬件和軟件兩種方法控制轉換開始，硬件方法控制轉換開始通過設置CONVST端的輸入，當輸入為負脈沖時，在脈沖上升沿片內的跟蹤/保持器從跟蹤模式轉為保持模式并開始進行轉換操作;軟件方法控制轉換開始通過設置控制寄存器的SWCONV位，寫入“1”時，AD7891內部將產生一個脈沖信號來控制跟蹤/保持的起始點以及啟動轉換序列，當內部脈沖信號超時轉換結束。

AD7891有一個6位控制寄存器。寄存器各位分別控制芯片模擬信號輸入通道的選擇、模擬轉換的開始、待機工作模式選擇和輸出數據格式，可以通過并行寫操作或串行寫操作將控制字寫入控制寄存器。在芯片剛接通電源時，控制寄存器各位的初始狀態均為0。格式為：

MSB

其中A2、A1、A0為地址輸入端，用來選擇多路選擇器的模擬信號輸入通道，A2為最高有效位。通道數N可由公式N=4A2+2A1+A0+1計算確定。

SWCONV為軟件模數轉換開始位。寫入“1”時，模數轉換開始。

SWSTBY為待機模式輸入位。寫入“1”時，芯片待機模式;寫入“0”時，芯片正常工作。

FORMAI為數據格式位。寫入“0”，輸出數據格式為二進制原碼;寫入“1”，輸出數據格式為二進制補碼。

3.2 采集流程

本文以軟件方法控制轉換開始為例，通過向AD7891寄存器寫控制指令實現對電壓數據的采集，內部工作流程如下：

（1）AD7891芯片通過并行接口接收到通道設置的指令，通過地址編碼單元控制多路開關選擇設定的采集通道;

（2）通道選通后，AD7891內部的跟蹤/保持放大電路單元，對該通道輸入的電壓信號進行跟蹤保持;

（3）啟動AD轉換，通過電路積分和比較，完成模擬信號到數字信號的轉換;

（4）轉換完成后，AD7891EOC端輸出脈寬為80ns的負脈沖，DSP讀取轉換結果;

（5）芯片又重新進入跟蹤模式，跟蹤/保持器開始進行下一次的數據采集，在轉換期間和轉換結束100ns之前，DSP不能進行讀數據操作。

3.3 原因分析

采樣保持獲取時間用于讓跟蹤/保持放大器輸出的采樣值更接近于真實值。轉換結束后，當出現選擇通道切換或者輸入到被選擇的VIN引腳的電壓發生較大變化時，這段時間被用來進行輸入穩定。這就意味著在操作芯片時，用戶必須在轉換完成后插入一個等待周期用于下一次采集信號的跟蹤/保持。當采集通道發生變化或者輸入的電壓發生較大的變化時，也需要在開始轉換之前插入一個等待周期。這樣做可以保證芯片訪問操作的規范性和數據采集的正確性。

在現有的軟件設計中沒有在數據讀取和通道切換等操作步驟之間插入等待時間，這就有可能出現在通道切換后，片內的跟蹤/保持放大器采集到的輸入電壓還沒有完全變化到真實值的時候就開始啟動了AD轉換，造成采集電壓有誤差。

在通道切換之后AD7891輸入跟蹤保持放大器的輸出電壓信號由之前保持的電壓（上一AD通道）變為的當前選通的通道電壓，該轉換也需要一定的時間，所需時間與兩個通道之間的電壓幅值差異有關，同時也會受到溫度的影響，對于不同的信號處理器，該時間也存在微小差異。

因此在軟件設計中應考慮該通道切換所需時間，留出足夠的時間（T_track-hold）來保證通道切換完成。

軟啟動方式時，該通道切換和跟蹤保持的時間由芯片內部時序控制，該時間為0.7μs，當通道切換時實際所需的時間T_track-hold超出0.7μs，啟動轉換時放大器端的電壓并未完全變為當前通道的電壓，導致AD轉換結果不準確。

4 改進措施

對AD7891采集軟件模塊進行改進，在切換采集通道和開始啟動轉換之間插入lus的等待周期;當AD采集完成后，DSP在讀取完轉換數據后再等待1us開始切換通道進行下一次轉換。

5 結語

文中以AD7891-1與某數字信號器的并行接口連接電路為例，在多路模擬量的實際采集中，通過軟啟動方式控制轉換開始，詳細分析了在通道切換和啟動轉換之間的時序控制。

參考文獻

[1]Ana10G Devices Inc，LC2MOS 8-Channel，12-Bit High Speed Data AcquisitionSystem.DataSheet，2004.

[2]AD7891 PDF芯片資料.

[3]張芳.基于單片機的AD7891高速數據采集原理與應用[S].陜西黃河集團有限公司設計所，2012.