基于A/D转换器ADS7813的信号采集系统设计

　　摘要：介绍了一种串行16位A/D转换器ADS7813的主要特性、使用方法，以及它与单片机组成的多路模拟信号采集系统，提出了ADS7813应用中应注意的问题。

　　1.引言

　　在水体运行过程中，需要及时地对其一些信号进行采集，例如：仪器、动力电源分配盒的温度信号采集、水体运行深度信号采集、水体漏水报警信号采集、舵机的舵角信号采集等，其分辨率和控制误差要求非常高，同时要对多路信号进行采集，因此需要多路信号采集与控制系统。由于对采集系统的分辨率和控制范围要求都非常高，需要14位以上的A/D转换器。

　　ADS7813是一款16位高速A/D,可以适应这个要求。此方案具有高，电路结构简单，系统稳定可靠等特点。

　　2.ADS7813的应用特性、工作原理

　　2.1 ADS7813的应用特性

　　ADS7813是美国BB公司生产的一种低电压供电、高性价比的串行16位A/D转换器。

　　该A/D转换器内部包含一个带有采样/保持（S/H）电路、基于电容的逐次逼近型（SAR）A/D,内部时钟电路，内部基准产生电路和串行数据接口电路等，同时，该A/D转换器可以配置为多种输入电压范围，包括±10V,±5V,0V~10V,0.5V~4.5V.灵活的兼容性QSPI串行通信可以通过内部或者外部时钟将数据同步输出。具体归纳起来ADS7813具有如下特性：

　　（1）转换时间20us;

　　（2）单电源+5V供电；

　　（3）引脚与12位的ADS7812完全兼容；

　　（4）易于使用的串行数据接口；

　　（5）积分和微分非线性误差为±2.0LSB;

　　（6）信号-噪声及失真比为87dB;

　　（7）带有内部采样/保持器；

　　（8）可使用内部或外部基准电源；

　　（9）可使用内部或外部同步时钟信号；

　　（10）可输入多种范围的模拟信号；

　　（11）功耗35mW和50uW的掉电模式。

　　2.2 工作原理

　　2.2.1 启动转换

　　CONV 输入引脚上的信号下降沿将使转换器内部的采样/保持器处于保持状态，同时启动转换过程。在转换过程中，CONV 输入状态的变化将被忽略，每25us可以进行启动过程。

　　理想情况下， CONV 输入应为低电平，然后在转换过程中保持低电平。在当BUSY 变为高的时候CONV 变为高电平，另外一种可行的方法是在开始启动后尽快将CONV 配置为高电平。例如，一个100ns宽的低电平脉冲就是一个很好的CONV 输入。由于从开始启动到BUSY 上升后的时间2 t 内，转换器对外部干扰会很敏感，强烈推荐从CONV 使用100ns的脉冲进行启动转换。图1所示为基本的转换时间。

　　

　　2.2.2 读取转换结果

　　对于使用外部时钟的转换电路来说，第n次的转换结果可以在本次转换完成后到下转换开始前这段时间输出，也可以在第n+1次转换过程中输出，或者是在本次转换完成后和下转换过程中段续输出。

　　对于一般应用场合，每个输出位在DATACLK的下降沿都是无效的，但某些情况下，输出位在DATACLK的上升沿是有效的，但是需要加一个额外的时钟周期为一位服务。且这个额外的DATACLK信号必须为低电平或者必须在BUSY 上升前为高电平。

　　如果该时间内该条件未能得到遵守，ADS7813的移位寄存器将不会被转换结果更新，前一个移位寄存器的内容将保持不变，转换的新结果将丢失。

　　串行传送转换结果由DATACLK的上升沿触发。数据以16位，二进制的补码的格式输出。

　　3.由ADS7813组成的多路信号采集系统

　　该系统用于4路模拟量采集，主要分为五个部分：信号转换部分、前级处理单元、多路选择器、A/D处理单元和微处理单元。下面简单介绍一下系统结构：四路信号通过前级传感器将其转变成4~20mA电流信号，再经过精密电压程控放大器变成0~5V的电压信号，然后送入多路选择器，由单片机的I/O口控制选通各个通道。考虑到多路选择器输出阻抗和A/D芯片的输入阻抗的匹配问题，在两者之间加上由OP07构成的精密电压跟随器。由于逐次逼近型A/D对干扰比较敏感，一般要求A/D转换器和CPU系统之间进行隔离，以防止数字电路对前级模拟电路产生干扰。本系统采用4片6N137高速光耦将A/D转换器与单片机之间进行模拟地和数字地的物理隔离。系统框图如图2所示。

　　

　　本系统的A / D芯片可以处理0~1 0 V的电压信号， 接班BUF, 接GND,接。ADS7813的REF输出2.5V内部参考电压或者作为外部输入参考。同时REF引脚需要接一个1uF~2.2uF的钽电容到模拟地上，并且该电容应该尽可能地靠近ADS7813芯片。CAP脚用来补偿内部相关脉冲，需要接一个1uF钽电容和一个0.01uF的陶瓷电容到模拟地，钽电容和陶瓷电容并联相接，且陶电容应当尽量靠近ADS7813芯片。电容总量对于ADS7813的工作至关重要，该电容大于2.0uF将超出其缓冲能力，小于0.5uF可能会提供不了足够的补偿，影响其输出正确的数字量。本系统在设计电路板时将数字电路的地和模拟电路的地用光耦隔离，电源用专用的电源隔离芯片，从而防止单片机及其他高速数字电路对模拟地产生影响，进而影响ADS7813的处理结果。在采用恒压源加载在多路选择器上的条件下，ADS7813的实测可以达到15位。

　　系统的处理器采用8位高速单片机PIC16F877A,由于ADS7813的串行通信QSPI是一种兼容性的串行通信，所以不能直接与单片机的SPI串口进行通信，本系统所采集的方法是将ADS7813输出的串行数据经过74CH595芯片将数据转变成并行数据，再将并行数据传送给处理器，这样软件编写容易实现，下面给出部分C语言代码，编译环境为MPLAB7.5.

　　

　　

　　4.需要注意的问题

　　16位A/D转换器ADS7813的电源必须是线性、无杂波的干净电源。如果要求不是很高，一种可行的方法是设计一个+5V的线性调节器。串联5W~10W电阻到数字电源，同时增加旁路电容，将100mF或更大的钽电容和0.1mF陶瓷电容并联到ADS7813的电源输入端。钽电解电容器在低频段应用效果好，应装在电源入口处，陶瓷电容器在高频段应用效果好，应装在各集成电路的附近。

　　编写软件时，在A/D转换过程中，保持引脚电平状态不变，以免对A/D产生干扰。

　　参考电压引脚的滤波电容必须选用钽电容，且当采用内部参考电压时，参考电压端不允许施加任何负载。

　　该A/D芯片对静电压比较敏感，可能会因为静电而损坏，使得转换不能达到其说明书上的要求，因此存放和焊接时应做一些防护措施。

　　5.结束语

　　本文详细介绍了BB公司的16位高A/D转换器ADS7813的结构、特点和工作原理。给出ADS7813与PIC16F877A高速单片机的QSPI串行通讯接口设计及多路模拟信号采集系统的硬件电路，并给出了部分读写ADS7813的C语言代码，与传统方法相比，此系统不仅高、速度快，而且具有很强的抗干扰能力，给我们对采集的数据进行运算和处理带来方便。