模数转换芯片AD7810的原理及应用

     AD7810是美国模拟器件公司（Analog Devices）生产的一种低功耗10位高速串行A/D转换器。该产品有8脚DIP和SOIC两种封装形式，并带有内部时钟。它的外围接线极其简单，AD7810的转换时间为2μs，采用标准SPI同步串行接口输出和单一电源（2.7V～5.5V）供电。在自动低功耗模式下，该器件在转换吞吐率为1kSPS时的功耗仅为27μW，因此特点适合于便携式仪表及各种电池供电的应用场合使用。

　　1 AD7810引脚功能

　　AD7810引脚排列如图1所示，各引脚的功能如下：

　　1 脚CONVST：转换启动输入信号。

　　2 脚VIN+：模拟信号同相输入端。

　　3 脚VIN-：模拟信号反相输入端。

　　4 脚GND：接地端口。

　　5 脚VREF：转换参考电压输入端。

　　6 脚DOUT：串行数据输出端。

　　7 脚SCLK：时钟输入端。

　　8 脚VDD：电源端。

　　2 AD7810主要参数

　　AD7810的主要参数如下：

　　分辨率：10位二进制；

　　转换时间：2μs；

　　非线性误差：±1LSB；

　　电源电压范围：2.7～5.5V；

　　电源功耗：高速方式时为17.5mW，低功耗方式时为5μW；

　　参考电压VEFR范围：1.2V～VDD；

　　模拟电压输入范围：0V～VREF；

　　输出形式：SPI同步串行输出，与TTL电平兼容。

　　3.1 高速模式工

　　图2是AD7810工作在高速模式时的时序图。在此模式下，启动信号CONVST一般处于高电平。在CONVST端输入一个负脉冲，其下降沿将启动转换。若采用内部时钟，那么，转换需要2μs的时间（图中t1）。当转换结束时（图中A点），AD7810会自动将转换结果锁存到输出移位寄存器中。此后，在每一个SCLK脉冲的上升沿，数据按由高到低的原则（首先发送DB9，发送DB0）依次出现在DOUT上。如果在转换还未结束之前就发出SCLK信号来启动数据输出，那么，在DOUT上出现的将是上转换的结果。

　　启动信号CONVST应在转换结束前变为高电平，即t3应小于t1，否则器件将自动进入低功耗模式。另外，串行时钟SCLK的频率不能超过20MHz。

　　3.2 自动低功耗模式

　　图3是AD7810工作在自动低功耗模式时的时序图。在此模式下，启动信号CONVST为低电平时，器件处于低功耗休眠状态。当在CONVST端输入一个正脉冲时，可在其上升沿将器件从休眠状态唤醒，唤醒过程需要1μs的时间（图中t2）。当器件被唤醒后，系统将自动启动转换，转换时间也是2μs（图中t1）。转换结束时，AD7810将转换结果锁存到输出移位寄存器中，同时自动将器件再置于低拉耗状态。

　　启动信号CONVST正脉冲的宽度（图2中t3）应小于1μs，否则器件被唤醒后将不会自动启动转换，而是将A/D转换的启动时间顺延至CONVST的睛降沿处。自动低功耗模式是AD7810是一大特铎，一般当数据吞吐率小于100kSPS时，应使器件工作在此模式下。在5V电源电压下，当数据吞吐率为100kSPS时，器件的功耗2.7mW；而当数据吞吐率为 10kSPS时，功耗为270μW；若数据吞吐率为1kSPS，则其功耗仅27μW。

　　4 AD7810的典型应用

　　AD7810应用时几乎不需外围元件。图4所示是其典型应用电路，其参考电压VREF接至VDD，模拟输入VIN-接至GND，而待转换电压则从VIN+输入。

　　AD7810 几乎可与各种MCU进行接口，图4中的MCU可以是8051 或PIC16C6X/7X。当与PIC16C6X/7X系列单片机进行接口时，可将SCLK接至单片机的SCK（RC3），将DOUT接至SDI（RC4），而其启动信号CONVST则可接至单片机的任意输出口上（如RC0）。由于PIC单片机的 SPI方式每次只能接收8位数据，因此10位数据应分两次读取。当AD7810与8051接口时，电路采用的是一种模拟串口方式，AD7810的 SCLK、DOUT和CONVST分别接至8051的P1.0、P1.1和P1.2，只要严格按照AD7810的时序要求操作，一般接口都不会有问题。这种方式实际上可扩展到所有的MCU种类。另外，8051也可利用其串行口工作方式0与AD7810进行通讯（图中未画出），但这时应解决好两个问题：一是由于8051在TXD的上升沿进行采样，这样，TXD应经过一个反相器再接到SCLK，而将RXD接至DOUT，然后将CONVST接至任意一个输出端口。二是8051串行口首先接收低位数据，这一点与AD7810刚好相反，因此，编程时应当注意。

　　下面给出PIC16C6X/7X和8051分别与AD7810进行通讯的两段程序，作者只对与A/D转换有关的部分进行了编写（常用资源定义、芯片定义等均未列出），两段程序均可钭AD7810的工作控制在自动低功耗方式。8051与AD7810通讯程序如下：

　　START：CLR P1.0 ；初始化

　　SETB P1.0

　　CLR P1.2

　　LOOP：CALL CON0

　　... ；主程序省略

　　；

　　；A/D转换子程序，返回时数据低8位在R2中，高2位在R3中

　　CON0：MOV R1，#`10 ；10位数据

　　MOV R2，#0

　　SETB P1.2 ；唤醒启动AD7810

　　CLR P1.2

　　CON1：SETB P1.0 ；发送SCLK信号

　　MOV C，P1.1 ；读一位数据

　　CLR P1.0

　　MOV A，R2 ；数据移位

　　RLC A

　　MOV R2，A

　　MOV A，R3

　　RLC A

　　MOV R3，A

　　DJNZ R1，CON1

　　RET

　　PIC16C6X/7X与AD7810的通讯程序如下：

　　REG1 EQU 0X20 ；寄存器定义

　　REG2 EQU 0X21

　　CLRF PORTC ；端口初始化

　　BSF STATUS，RP0

　　MOVLW 0X30

　　MOVWF TRISC

　　BCF STATUS，PR0

　　BCF SSPCON，SSPEN

　　MOVLW 0X00 ；SPI初始化

　　MOVWF SSPCON

　　BSF SSPCON，SSPEN SPI开放

　　LOOP CALL ADCON

　　... ；主程序省略

　　；

　　；A/D转换子程序，返回时数据低8位在REFG1中，高2位在REG2中

　　ADCON BSF PORTC，0 ；唤醒启动AD7810

　　BCF PORTC，0

　　MOVWF SSPBUF ；启动接收高8位

　　BSF STATUS，RP0

　　CON1 BTFSS SSPSTAT,BF ；数据已接收？

　　GOTO CON1 ；没有收到

　　BCF STATUS，RP0

　　MOVF SSPBUF，W

　　MOVWF REG1 ；高8位送REG1

　　MOVWF SSPBUF ；启动接收低2位

　　BSF STATUS，PR0

　　CON1 BTFSS SSPSTAT，BF ；数据已接收？

　　GOTO CON1 ；没有收到

　　BCF STATUS，RP0

　　MOVF SSPBUF，W

　　ANDLW B11000000 ；保留有效位

　　MOVWF REG2 ；低2位送REG2

　　BCF STATUS，C ；进位位清零

　　RLCF REG2，1 ；数据调整

　　RLCF REG1，1

　　RLCF REG2，1

　　RLCF REG1，1 ；低8位

　　RLCF REG2，1 ；高2位

　　RETURN