新特器件应用 24位高精度模数转换器 ADS1258 的原理及应用 - 61- 24位高精度模数转换器 ADS1258 的原理及应用 ( 1.陕西宝成航空仪表有限责任公司, 陕西 宝鸡 721006; 2.清华大学 精密仪器与机械学系, 北京 100084) 金永杰 1,2, 龙 平 1, 熊剑平 2 摘要: 介绍了 16 通道、低功耗、高精度 A/D 转换器 ADS1258 的性能特点、引脚功能和内部结构, 给 出了 ADS1258 与 C8051F120 之间通过 SPI 通信的接口硬件电路设计, 提出了在实际电路设计中应 注意的问题。 关 键 词: ADS1258; A/D 转换; 中图分类号: TP335 文章编号: 1006- 6977(2008)06- 0061- 03 SPI; C8051F120; 多路复用器 文献标识码: B Pr inciple and application of 24- bit high- r esolution analog- to- digital conver ter ADS1258 JIN Yong- jie1,2, LONG ping1, XIONG Jian- ping2 (1. Shaanxi Baocheng Aviation Instrument CO.,LTD , Baoji 721006, China; 2. Department of Precision Instruments and Mechanology, Tsinghua University, Beijing 100084,China) Abstr act: In this paper,the feature,pin function and structure of ADS1258 high resolution analog- to- digital converter are introduced.The application circuit of SPI interface between C8051F120 And ADS1258 is given.The questions which in the system design needs to pay attention are explained. Key wor ds:ADS1258; A/D converter; SPI; C8051F120; multiplexer 1 概述 ADS1258 是 TI 公司推出的一款高精度、低功 耗、低噪声的 16 通道( 多路复用的) 24 位 Δ- Σ型模 数转换器 (ADC), 其内部集成了输入多路复用器、模 拟低通滤波器、数字滤波器等功能。内部有多种控 制寄存器, 用户通过不同的配置得到不同的 A/D 采 样速率、采样模式、A/D 转换精度等。适用于对性能、 功耗要求高、模拟通道要求多的数据采集系统。 2 ADS1258 主要特点及引脚功能 2.1 主要特点 Δ- ΣADC, 24 位转换精度, 定通道采样速率为 125 Ks/s( 可 编 程) , 自 动 通 道 检 测 通 道 采 样 速 率 为 23. 7 Ks/s( 可编程) ; 模 拟 输 入 多 路 复 用 器 可 配 置 成 8 路 差 分 输 入 或 16 路单极输入。多路复用器的输出可通过外部 获得, 这就能在 ADC 输入之前采用共享的信号调节 通道; 0.5 μV/℃的失调漂移、最大 0.001 0%的满量程 整数非线性误差; 工作电压范围为 2.7～5.25 V; 内部带有针对低噪声性能进行了专门优化的 5 阶正弦数字滤波器; 带有串行外设接口( SPI) ; 与其他 ADC 相比, ADS1258 具有精度高 、转换 数率快、功耗低、工作性能好等特性, 适用于设备与 系统 监控、数 据 采 集 、医 疗 、航 空 电 子 、测 试 测 量 等 多通道应用场合。 2.2 引脚功能 ADS1258 采用 QFN- 48 小型封 装, 各引脚功 能 定义如下: AIN0～AIN15: 模拟信号输入端; GPIO0～GPIO7: GPIO 信号输入/输出端; 收稿日期: 2008- 04- 08 稿件编号: 200804008 作者简介: 金永杰( 1973- ) , 男, 硕士, 高级工程师。研究方向: 计算机通讯和导航控制技术 。 

- 62- 《国外电子元器件》2008 年第 6 期 CLKSEL:时钟信号选择输入端; SCLK: SPI 接口时钟输入端; DIN: SPI 接口数据输入端; DOUT: SPI 接口数据输出端; DRDY: 数据准备好输出端; START:数据开始转换信号输入端; CS: SPI 接口片选端; VREFN: 参考电压输入端( +) ; VREFP: 参考电压输入端( - ) ; ADCINN: 模拟差分输入端( - ) ; ADCINP: 模拟差分输入端( +) ; MUXOUTN: 多路复用器差分输出端( - ) ; MUXOUTP: 多路复用器差分输出端( +) ; DVDD: 数字电源, 2.7～5.25 V; RESET: 复位端。 2.3 结构原理 图 1 为 ADS1258 的内部结构框图。ADS1258 主 要由模拟多路开关(MUX)、可共享的信号调理通道、 4 阶 Δ- Σ ADC、5 阶 正 弦 数 字 滤 波 器 、SPI 接 口 、 GPIO 接口、时钟发生器、控制器等组成。模拟信 号从 AIN0～AIN15 引脚输入, 通过多路模拟开关 可将其配置成 8 路差动输入或 16 路单极输入, 通 过 共 用 的 信 号 调 理 通 道 , 输 入 到 4 阶 Δ- Σ ADC 实现 24 位 A/D 转换, 通过数字滤波器, 最 终以 SPI 接口的形式输出数字信号。在使用外 部可共享的信号调理通道时, 根据实际情况, 可 关闭所使用 的调理 通 道 , 只 需 将 寄 存 器 CONFIG0 的第 4 位( BYPAS) 置 0 即可关闭外部调理通道, 直 图 1 ADS1258 内部结构框图 接在 ADS1258 内部实现连接。但是, 在大多数使用 条件下, 为 获得更高 的 A/D 转 换 精 度 , 建 议 使 用 外 部信号调理通道。 ADS1258 采用 4 线制( 时钟信号 SCLK、数据输 入 DIN、数据输出 DOUT 和片选) SPI 通信方式, 由 于 ADS1258 无法控制 SPI 何时开始传输, 而是由主 机控制数据传输, 因此 ADS1258 只能工作在 SPI 通 信 的 从 模 式 下, 设 计 时 可 通 过 各 种 主 控 制 器 控 制 ADS1258 片上的寄存器, 并通过 SPI 接口读写这些 寄存器。通过 SPI 接口进行通讯时, 必须保持 CS 信 号 为 低 电 平 , DRDY 引 脚 用 于 表 明 转 换 是 否 完 成 , DRDY 为低时, 说明转换已完成, 可以直接通过通道 读取数据或通道读数据命令从 DOUT 引脚上读出转 换数据。SPI 通信, 可同步发送和接收数据, 而且数据 也 可 利 用 SCLK 和 DIN, DOUT 信 号 同 步 移 动 。 在 SCLK 的下降沿, 系统通过 DIN 向 ADS1258 发送数 据 ; 而 在 SCLK 的 上 升 沿 , 系 统 则 通 过 DOUT 从 ADS1258 读取数据。DIN 和 DOUT 也通过一条双向 信号线与主控制器相连。图 2 给出 SPI 通讯时序图。 图 2 SPI 通讯时序图 2.4 主要寄存器 ADS1258 工作过程的建立主要 通过设置其 独立寄存器来实现的。这些寄存器包括出厂时 所有需要设置的信息, 如采样模式、外部信号调 理通道开关、时钟模式的选择、模拟输入是单极 输入还是差分输入等等。表 1 给出了 ADS1258 的主要寄存器 。其中 CONFIG0 和 CONFIG1 为 状 态 寄 存 器 , MUXSCH 为 多 路 固 定 通 道 选 择 寄 存 器 , MUXDIF 为 多 路 模 拟 差 分 输 入 配 置 寄 存 器 , MUXSG0 和 MUXSG1 为 模 拟 单 极 输 入 通 道 选择寄存器。状态寄存器 CONFIG0 的最高位由 制 造 商 设 定 为 0, 不 能 更 改 。 SPIRST 决 定 了 ADS1258 的 SPI 接 口 复 位 时 间 , SPIRST=1 时 其 复 位 时 间 为 4 096 fclk; SPIRST=0 时 则 为 256fclk。 MUXMOD 是扫描 模式选择 位, 当 MUXMOD=0 时采用自动扫描模式; MUXMOD=1 时采用固 定 

24位高精度模数转换器 ADS1258 的原理及应用 - 63- 模式。BYPAS 位用于选择是否采用外部信号调理通 道选择位, BYPAS=0 时, 内部多路复用器短接而不 使用外部的信号调理通道; BYPAS=1 时, 输入的模 拟信号通过共用的外部信号调理通道传输到 24 位 Δ- ΣADC 转换器。CONGIG1 寄存器中的 DRATE[1: 0] 位是 A/D 转换速率选择位, 在自动扫描模式下, DRATE [1:0] =11 =23.739 Ks/s; DRATE [1:0] =10 = 15.123 Ks/s; DRATE[1:0]=01=6.168 Ks/s; DRATE[1: 0]=01=6.168 Ks/s; DRATE[1:0]=00=1.831 Ks/s。 3 典型应用 3.1 硬件设计 图 3 为 ADS1258 的单极多通道应用电路图。该 电路为多路数据采集系统, 将外部输入的 16 路模 拟信号通过多路模拟开关, 传输到外部共用的信号 调理通道, 通过信号调理通道的信号调节作用, 传 输给 24 位 Δ- Σ型 A/D 转 换 器 进 行 模 数 转 换 , A/D 转换结束后, 将转换结果通过专门优化的 5 阶正弦 数字滤波器进行滤波, 最后才通过 SPI 接口传输给 C8051F120 进行处理。 为 了 提 高 数 据 的 采 集 精 度 , 本 采 集 系 统 采 用 MAXIM 公 司 的 具 有 高 精 度 和 低 漂 移 的 4.096 V 电 压基准 MAX6164A。同时由于输入信号的电压范围 为 0～1 V, 为了使输入信号的范围与电压基准相一 致, 提 高 采 集 精 度 , 在 信 号 通 过 外 部 信 号 调 理 通 道 时, 调整比例因子, 即就是 R7 和 R6 的值, 使输入信 号 放 大 4 倍, 量 程 为 0～4 V, 其 电 压 增 益 AV=1+ (2R7/R6), 只要选择合适的 R7 和 R6, 使 AV=4 即可 满足要求。同时为了提高 A/D 转换精度, 选用 R6 和 R7 时尽可能选择高精度的精密电阻。 3.2 软件设计 由于 C8051F120 和 ADS1258 都 拥 有 各 自 的 硬 件 SPI 接口, 编程比较简单, 只要按照 ADS1258 的时 序图编程即可实现软件设计功能, 需注意以下事项: 图 3 ADS1258 的应用电路图 

- 64- 《国外电子元器件》2008 年第 6 期 使用 SPI 接口时, 要先对行 SPI 接口进行复位, 可采用硬件复位或软件复位, 但是即使采用硬件电 路复位, 使 CS 信号固定 在低电平时, 还要进行 SPI 软件接口复位, 否则有可能使 SPI 读写数据不准确。 在配置 A/D 转换速率时, 在满足系统条件下, 尽量选择转换速率比较低的工作模式, 这样可以提 高转换精度; 为达到最佳性能, 在电路布局时要使数字信号线 与模拟 信 号 线 相 隔 离 , 可 根 据 实 际 应 用 需 要, 可 选 择数字电源和模拟电源工作在不同的电压模式。 4 结语 ADS1258 具 有 转 换 速 率 快 、高 精 度 、低 功 耗 、 接 口 简 单 等 优 点, 非 常 适 合 多 通 道 高 精 度 数 据 采 集领域的使用。目前, 基于 ADS1258 的数据采集处 理 系 统 已 经 在 某 导 航 系 统 中 使 用, 并 且 取 得 了 很 好效果。 参考文献: [1]Texas Instrument. ADS1258 Datasheet[DB/OL]. http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/ads1258.pdf, 2007. [2]Silicon Laboratories.C8051F120/1/2/3/4/5/6/7 Da- tasheet[DB/OL].http://www.silabs.com/public/docu ments/tpub_doc/dsheet/Microcontrollers/Precision_ Mixed- Signal/en/C8051F12x- 13x.pdf, 2004. !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! (上接第 51 页) MSP430F2272 主 要 处 理 与 2 个 外 部 器 件 的 接 口, 首先对器件初始化, 读取 MS5534B 的参数值, 然 后 是间 断 唤 醒 , 读 取 时 间 值 、气 压 采 样 值 和 温 度 采 样值以及计算气压和温度值, 处理完成后则进入休 眠状态以降低功耗, 这种工作方式可以延长使用电 池供电寿命。 4 结语 本模块以数字气压传感器 MS5534B 为核心, 采 用低功耗 MCU 和存储器, 实现了精度为 1 mbar 的 气压数据 采集, 体 积 小 , 质 量 轻 、功 耗 低, 同 时 可 采 集气温数据。实际测试发现气压传感器在一次标定 后使用精度完全满足要求, 此模块尤其适合如抛弃 式漂流浮标等电池供电的低成本气压采集应用。 参考文献: [1] 郭 勇,姜学东.基于 MSP430 单片机的气象数据 采集系统[J]. 国外电子测量技术, 2007, 26( 10) : 43- 46. [2]Intersema.BAROMETER MODULE- MS5534B Da- tasheet [EB/OL]. http://www.fuw.edu.pl/~pablo/s/ docs/ms5534b.pdf, 2006. [3]TI 公司. MSP430x2xx Family User' s Guide slau 144b [EB/OL].http://focus.ti.com/lit/ug/slau144e/slau 144e.pdf,2007. [4] 张 勇, 张 杰.基于 MS5534 的无人机用高度传感 器[J]. 仪表技术与传感器, 2006(4): 42- 43. [5] RAM TRON.FM3130 Integrated RTC/Alarm with 64 KB FRAM Datasheet [EB/OL]. http://www.zlgm cu.com/download/downs.asp?ID=2451,2006. 全年 12 期, 读者可到当地邮局订阅, 本刊亦可破订、零购。 《国外电子元器件》( 月刊) 欢迎投稿! 欢迎订阅! 欢迎刊登广告! # """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""# " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " #"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""# 国内刊号: CN61- 1281/TN 在线投稿系统: http://mag.ieechina.com 地 址: 西安市高新路 25 号瑞欣大厦 10 层 A 座 邮政编码: 710075 国际刊号: ISSN 1006- 6977 ad@ieechina.com(广告) 邮发代号: 52- 142 订价: 6.00 元/期 年价: 72.00 元/年