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ADS1271与TMS320F2812的数据采集模块


ADS1271 与 TMS320F2812 的数据采集模块
数据的采样在工业控制中有着重要的应用,精度的要求也越来越高,于是高 精度的 ADC 越来越多的被用到。ADS1271 是高带宽的 24 位工业用模/数转换器 (ADC),他实现了 DC 精度与 AC 性能的突破性结合 ADS1271 拥有 50 kHz 的带宽,105 kSPS 的转换速率,1.8μV/℃的失调

漂移以及高达 109 dB 的信噪比(SNR),进一步 将工业、医疗及汽车应用中的高精度测量提升到了新的水平。 传统上讲,漂移性能较高的工业用Δ-ΣADC 采用具有较大带通固定偏差的 数字滤波器,这就导致信号带宽有限,正好适用于 DC 测量。而音频应用的高分辨 率 ADC 能够提供更大的可用带宽,但偏移和漂移规范则比工业用 ADC 差得多(常常 无规范)。ADS1271 将两种转换器的优势相结合,实现了高精度测量,同时符合 DC 与 AC 规范,并确保可在-40+105℃的温度范围内工作。此外,诸如 OPA2227 与 OPA1632 等一系列放大器正好适合与 ADS1271 协同工作,从而实现最高性能。由 于 OPA1632 不是轨到轨的运放,性能比较差。所以改用 THS4521 对输入信号进行 调理。 ADS1271 主要特性表现在:高阶限幅自稳调制器利用专有设计技术,实现了 非常低的偏移(不足 1.8μV/℃),带内噪声也很低(6.5μVrms)。板上线性相位抽 取滤波器可抑制调制器与信号带外噪声,实现了 90%奈奎斯特速率的信号带通, 而波纹不足 0.005 dB。 ADS1271 具有 3 种可选的工作模式,可实现高速度(105 kSPS 的数据速率)、高分辨率(109 dB SNR)以及低功耗(35 mW)的优化。可选帧同步或 SPI 串行接口能够提供至 DSP 与微控制器的方便连接。所有操作(包括内部偏移 校验)都由引脚直接控制,不必对寄存器进行编程。ADS1271 具有级联输出引脚及 同步功能,因此可方便地用于多通道的系统中。ADS1271 具有 3 种工作模式:高速 度、 高分辨率以及低功耗模式,可由引脚 MODE 来选择:当 MODE 引脚为低电平(DGND) 时,工作在高速度模式;当 MODE 引脚浮空时,工作在高分辨率模式;当 MODE 引脚为 高电平(DVDD)时,工作在低功耗模式。 ADS1271 内部具有 1 个Δ-Σ调制器,后面连接 1 个数字滤波器。调制器基于 差分参考电压 VREF=(VREFP-VREFN)来测量差分输入信号 VIN=(AINP-AINN)。 数字 滤波器接收调制器送来的信号并进行低噪声的数字输出。 数据采集模块的设计原理 系统的总体框图如图一示:

图一

总体框图

信号调理模块的功能由 rail to rail 运放 THS4521 完成,驱动 24 位模数转换 ADS1271,具体的外围电路设计如图二示,VIN+,VIN-是差分模拟信号输入, AINN、AINP 是调理后的信号。

图二 信号调理模块 参考电压模块由 REF3125 提供 2.5V 的参考电压,具体的外围电路如图三所示:

图三 参考电压模块 由于 DSP 的 SPI 接口的可编程的数据字长为 1-16 位。而 ADS1271 是 24 位的 ADC,而且,它只支持 SPI 以及帧同步传输,不支持并口。这样可以节约 2812 的数据口的资源,可以在工业控制中完成其他的工作。故采用 DSP 的 McBSP 来完 成 SPI 接口的功能。 TMS320F2812 的 McBSP 在时钟停止模式下工作时与串行外围接口(SPI)相兼 容,这便于与 SPI 器件连接。当 McBSP 配置为时钟停止模式时, 发送器和接收 器内部同步, 这样 McBSP 可以作为一个 SPI 主设备或从设备。在此模式下,

McBSP 的发送时钟信号 CLKX 相当于 SPI 总线的 SCLK 信号, 输出信号 DX 作为 SPI 主设备的 MOSI 信号, 接收输入信号 DR 作为 SPI 主设备的 MISO 信号。将 McBSP 配置为 SPI 主设备时, 需要配置相应的寄存器, 在时钟停止模式中, 由 于采用内部同步模式, 因此不使用时钟信号 CLKR 和接收帧同步信号 FSK。 ADS1271 与 TMS320F2812 的通信模块如图四所示:

图四

ADS1271 与 2812 的连接原理图

图五 ADS1271 的时序图 总之结合相关数据手册,特别是 TMS320F2812 的多通道缓冲串行口的应用, 以及图五所示的时序图,可以完成 24 位模数转换的硬件设计。


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