24位高精度A/D芯片ADS1211的应用

    摘要：ADS1211是美国Burr-Brown公司生产的高精度模数转换芯片。它具有24位精度并内含自校正∑-Δ转换器、二阶∑-Δ调制器、可编程数字滤波器和微处理器，可以和89C52单片机进行接口以测量三相电流和电压。文中简明扼要地介绍了24位高精度A/D芯片AD1211的结构特点，并以测量三相电压、电流应用为例子，给出了硬件测量电路、软件流程和相关的测量软件程序。

1 ADS1211的结构及特点

ADS1211是美国Burr-Brown公司生产的高精度模数转换（A/D）芯片，它采用24脚双列直插式封装形式，图1是ADS1211的引脚排列，各引脚的功能如表1所列。

表1 ADS1211的引脚功能

ADS1211是具有高精度宽动态范围的A/D转换芯片，它带有自校正∑-ΔA/D转换器。其内部由可编程增益放大器、二阶∑-Δ调制器、调制控制单元、可编程数字滤波器和微处理器组成，其中微处理器含有指令寄存器、命令寄存器、数据寄存器、校正寄存器、串行接口、时钟产生电路、+2.5V基准源、+3.3V参考电压源以4通道差动输入模拟开关等。图2是ADS1211的内部结构框图。当ADS1211再次上电复位时，首先由微处理器将内部所有的寄存器复位成缺省状态，并将调制器复位成稳定状态，再以850Hz的频率进行自校准，然后时入转换状态（即正常操作模式）。ADS1211的主要特点如下：

●采用∑-ΔA/D转换方式；

●具有24位无误码率，其线性误差小于0.0015%；

●在10Hz时，可获得23位有效分辨率，在1000Hz时，可达到20位的有效分辨能力；

●采用4通道差动输入；

●内含可编程增益放大器，放大倍数可在1，2，4，8，16中选取；

●带有内部/外部基准源；

●芯片内有半自动校准功能；

●与SPI兼容，并可提供双线控制模式。

2 ADS1211的重要寄存器设置

2.1 指令寄存器（2N5R）

ADS1211中的指令寄存器格式及其设置说明如图3所示。

    2.2 命令寄存器（CMR）

图4是ADS1211中的命令寄存器格式。其各位的含义和设置如下：

BIAS：偏置电压输出开/关位。BIAS为“0”时为关状态；为“1”时为开状态；

REF0：基准电压输出开/关位。为“0”时为关状态；为“1”时为开状态；

DF：数据输出格式位。“0”为二进制补码；“1”为偏移二进制码；

V/B：数据极性位。“0”为双极性；“1”为单极性；

BD：字节顺序位为“0”时表示先读最高字节；为“1”表示先读最低字节；

MSB：位顺序控制位。“0”表示先读最高位；“1”表示先读最低位；

SDL：数据输出引脚选择位。为“0”时，选择SDL为输出；为“1”时，选择Sdout为输出；

DRDY：数据准备就绪位。“0”为准备好；“1”为未准备好；

G2～G0：增益选择控制位。

MD2～MD0：操作模式位，其操作方式的选择如表2所列。

表2 ADS1211的操作模式选择

CH1～CH0：通道选择位，该两位组合为00、01、10、11可分别用来选择1通道到通道4。

SF2～SF0：加速因子选择位，从000～100的五种组合分别表示选择1、2、4、8和16。

DR12～DR0：抽取率选择位，其有效范围为20～8000。ADS1211的转换速率和加速因子的关系如下：

转换速率fDATA=fxin·TMR512抽取率

式中：fxin指的是从Xm引脚引入的时钟信号的频率；TMR则是指加速因子的值；

应当注意的是：增益和加速因子的乘积应不大于16。

    2.3 输出数据寄存器（DOR）

输出数据寄存器DOR是一个24位寄存器，可用来存放最新的转换结果，DOR内容刚好在DRDY信号由高变低前被更新，如果在（1/fDATA-12×1/fxin）所定义的时间间隔内设有读取DOR的内容，则原有的内容将被覆盖。

另外，OCR和FCR寄存器还可用于存放零点校正和满量程校正参数值。

3 ADS1211与89C52的接口电路

图5是在测量三相电压和电流时的ADS1211与89C52单片机的实际硬件接口电路，笔者采取从动方式，并采用四线制方式来实现ADS1211与单片机的接口，即将DRDY、SCLK、SDIO、SDOUT四条接口信号线分别接至89C52单片机的P1.1、P1.2、P1.3、P1.4引脚。

4 串行接口读/写时序

图6是ADS1211在从动方式下将片选端固定接地时与单片机进行接口的软件读/写时序。

5 软件流程图

根据图5所示的ADS1211与单片机的接口电路给出的程序流程图如图7所示。

如果将电路设置为从动方式，那么增益GAIN应选为1，加速因子TMR为1，fXIN选择10MHz，抽取率（DR）为1952（即0011110100000），fDATA为10MHz并选择单极性输入和半自动校准方式，同时选择通道输入1，那么，具体的测量程序和读写延时子程序如下：

    测量主程序：

SDIO EQV P1.3

SCLK EQV P1.2

DRDY EQV P1.1

SDOUT EQV P1.4

ORG 0000H

CLR EA

CLR SCLK

LCALL TIME ；延时子程序

JB DRDY，$

NOP

NOP

MOV A，#64H

LCALL WRBYTE；WRITE-INSR

NOP

NOP

MOV A，#52H

LCALL WRBYTE；

MOV A，#20H

LCALL WRBYTE；

MOV A，#70H

LCALL WRGYTE；

MOV A，#0AON

LCALL WRBYTE；WRITE-CMR

SETB DRDY

JB DYDY，$

NOP

NOP

MOV A，#0AON

LCALL WRTYTE；WRITE-INSR

NOP

NOP

LCALL RDBYTE

MOV 22H，A；

LCALL RDBYTE

MOV 21H，A；

LCALL RDBYTE

MOV 20H，A；READ-DOR

SETB DRDY

.

.

.

读数据子程序；

RDBYTE：MOV R7，#8

RDBYTE1：SETB SCLK

MOV C，SDOUT

CLR SCLK

RLC A

DJNZ R7，RDBYTE1

RET

写数据子程序：

WRBYTE：MOV R7，#8

WRBYTE1：RLC A

SETB SCLK

MOV SDIO，C

CLK SCLK

DJZN R7，WRBYTE1

RET

延时子程序：

TIME：MOV R6，#10

TIME1：MOV R7，#OFFH

DJNZ R7，$

DJNZ R6，TIME1

RET

6 注意事项

利用该方法设计接口电路时，应注意以下两点：

（1）地线要尽量短而粗，数字地和模拟地要分开布线，并要在一点汇合，模拟地可布置在ADS1211芯片的下面，但数字信号应避免布在AD78715芯片的下面， 时钟信号要用数字地屏蔽，输入的模拟信号要用模拟地屏蔽。

（2）模拟电源AVDD和数字电源DVDD最好分开用，最好使用精密基准电源，因为精密其准电源可以提高测量数据的稳定度。