串行模数转换器MAX1072/MAX1075的原理及应用

1 概述

模数转换器(ADC)是计算机控制系统中的重要部分。根据数字信号的输出方式可分为并行和串行两大类。并行ADC虽然数据传输速度快，但引脚多、体积大、占用微处理器接口多；串行ADC具有体积小、功耗低、占用微处理器接口少的优点，而且传输速率较高，因此应用日渐广泛。

MAX1072／MAX1075是Maxim公司新推出的低功耗、高速、串行输出10位模数转换器。该器件的采样速率为1.8 MS／s，具有真差分输入，与单端输入相比可提供更好的噪声抑制以及宽泛的动态范围。MAX1072／MAX1075工作在+4.75 V～+5.25 V单电源电压，需要一个外部基准。MAX1072与MAX1075的不同点在于：MAX1072允许单极性模拟输入，而MAX1075允许双极性模拟输人。

MAX1072／MAX1075具有高转换速度、低功率损耗、交流性能好以及直流高(±0.5 LSB INL)等优点，非常适合工业过程控制、数据采集、便携式仪表等应用。MAX1072／MAX1075的主要特点如下：

功耗仅45 mW(典型值)；

关断电流仅1 μA (值)；

高速、SPI兼容的3线串行接口；

525 kHz输入频率下S／(N+D)为61 dB；

内置真差分采样／保持(T／H)；

外部基准；
无流水线延时；

小尺寸12引脚TOFN封装。

2 引脚说明

MAX1072／MAX1075的引脚排列如图1所示，其引脚功能说明见表1。

3 结构原理

MAX1072／MAX1075采用输入采样／保持和逐次逼近寄存器(SAR)电路，将模拟输人信号转换为10位数字输出。数据输出采用串行接口，仅需要3根数字连接线(SCLK、CNVST和DOUT)。非常方便与微处理器连接。MAX1072／MAX1075的内部结构原理图如图2所示。

在初始上电后，MAX1072／MAX1075需要一个完整的转换周期初始化内部校准电路。一旦上电，采样／保持器就立即进入采样模式。当CNVST的下降沿时，采样／保持器进入保持状态，由SCLK提供转换时钟，启动内部的逐次逼近转换过程。转换结束后，数据从DOUT串行移出，串行接口的时序如图3所示。

如图3所示，由于模数转换需要一定的时间，所以只有在SCLK的第4个上升沿后，DOUT才开始移出有效的转换数据。在每个SCLK上升沿之后DOUT输出各位数据，并且在SCLK的下一个上升沿后保持4 ns，首先在DOUT输出的转换数据结果是MSB位，其他位依次输出。由于共有10个数据位、2个子位(S1和S0)和3个引导零位，所以至少需要16个时钟上升沿才能移出所有数据。

4 典型应用

温度测量是工业过程控制系统中的重要环节，热电偶或热敏电阻被广泛用于将温度转换为电信号输出，以便能够用于控制系统。这种电信号通常很微弱并且受到噪声、失调和增益误差的影响。在对电桥的输出信号数字化处理之前，必须先将其进行放大和失调处理，以便与数模转换器(ADC)的输入范围相匹配，然后再滤除噪声。

笔者设计的温度测量系统的主要功能是实现实时温度循环测量与显示。主要用于工业现场中的加热炉以及具有较高温度的场合，其测温范围是0℃～1 200℃，误差要求小于±5℃。由于热电偶得到的信号往往是微弱的电信号，它需要经过放大才能为下电路才能使用，常用的放大电路有基本放大器、数据放大器等。其中，数据放大器是一种组合式的放大器电路，具有很高的输入阻抗、较低的失调电压、很小的温度漂移和较高的增益，更重要的是这种放大电路具有强大的抑制共摸干扰的能力。广泛应用于热电偶温度计、应变测量桥、流量计和生物医学测量等许多技术领域。

数据放大电路如图4所示，该电路由2个运算放大器和多个电阻组成，其中A1，A2应选择高输入阻抗的运算放大器以保证测量的高，放大器电阻的选择应是对称的。A1，A2都采用同相放大器接法。热电偶在工业现场采集的信号不可避免地搀杂有其他的干扰信号。图4中输入端的两个电容具有滤波功能，其中22μF的电容可滤去高频信号，0.1μF的电容可滤去低频信号；电阻R2的作用是调零；电阻R3作用是浮置，提高电压；A1、A2两个运算放大器组成的电路对信号进行放大，使输入信号转换为ADC可识别的信号U1、U2。如热电偶在工业现场采集的信号为0 mV～16.34 mV，放大至0 V～5 V。则放大倍数为306，只要调节R6即可。

在温度测量系统的设计中，采用AT89C51进行控制。数据放大电路输出的差动信号U1、U2通过MAX1075进行MD转换，然后输入AT89C51单片机完成实时温度循环测量与显示功能。温度测量系统电路连接如图5所示。

热电偶采集现场温度，由数据放大电路将检测到的微小信号转变为A／D转换器可转换的差动信号U1、U2；差动信号分别接到MAX1075的AIN+和AIN-端。MAX1075转换启动端CNVST由单片机经P11引脚发出信号选通；转换结果由P10引脚从ADC的串行数据输出端DOUT读入单片机；读取转换数据的串行时钟输入端SCLK可由P12引脚依次发出高低电平构成。这样，在AT89C51的控制下将A／D转换后的数据传送到单片机中进行处理。

在使用MAX1075时应注意以下事项：

1) 采样／保持器采集输入信号所需的时间取决于其输入电容的充电速度，如果输入信号源的阻抗较高，那么采样时间会加长；

2) 为避免高频干扰信号，应采用抗混叠滤波器；

3) 为保证正确转换，ADC两个输入端电压都不能超过VDD或者低于GND；

4) 在两次转换之间，这些器件可处于部分关断模式或完全关断模式，分别使电源电流降低至1mA(典型值)和1μA(值)；

5) 如果需要模数转换连续工作，则应在第14个和第16个SCLK上升沿之间将CNVST拉高，当器件连续转换时，具有的数据吞吐率；

6) 外部基准源REF引脚使用4.7 μF和0.01μF的旁路电容，可使性能达到。

5 结束语

低功耗、高速、串行输出10位模数转换器MAX1072／MAX1075具有单电源供电、占用微处理器口线少、易于连接等优点，而且具有真差分输入，具有更好的噪声抑制能力，降低了失真，并在单端输入下具有更宽的动态范围。笔者在温度测量系统的设计中采用该器件，不但简化了电路设计，还提高了测量，简化了设计和调试过程。