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0 引言
本文主要介绍MAX1032采样芯片以及使用CPLD对MAX1032采样进行控制的方法。事实上,虽然微控制器也能对MAX1032进行方便的控制,但使用CPLD来控制系统外围设备,可以节省微控制器的资源,减轻其负担,同时可以让其处理更复杂的信息,而利用CPLD对时序进行控制则更精确。
1 MAX1032的主要功能
MAX1032是美信公司推出的AD采样芯片MAX1030-MAX1033系列中一款。该系列是采样范围可达±12 V的多量程、低功耗、14位逐次逼近型串行输出模数转换器(ADC),数据传输符合SPI协议。当采用+5 V单电源供电时,其转换速率高达115 ksps。
MAX1032内部主要由模拟输入复用器及多通道电路、控制逻辑和寄存器、可编程增益放大器(PGA)逐次逼近数模转换器(SAR ADC)、串行I/O(Serial I/O)以及先进先出寄存器(FIFO)等主要模块构成。
MAX1032的各引脚功能如下:
设计时,AGNDl,AGND2,AGND3,DGNDO,DGND必须接到一起。
2 MAX1032的工作原理
在使用MAX1032进行采样前,通常需要确认信号的输入阻抗在17 kΩ以内。
MAX1032总共有三种工作模式:外部时钟模式,外部采样模式和内部时钟模式。本文将针对。MAX1032的外部时钟模式并结合CPLD给出实际的应用方案。
外部时钟模式:以最快的转换速率达到最大的吞吐量,由用户直接控制采样时,CSn在转换过程中始终为低,这时,用户可通过SCLK控制A/D的转换并对结果读取。SSTRB始终为低,其转换时序图如图1所示。SCLK的周期(tCP)必须在272 ns~62 us之间。其中高低电平宽度均需大于109 ns(tCL,tCH)。在CSn由高变低后的40 ns(tCSS),可以开始对SCLK上跳沿计数,DIN的输入建立时间至少40 ns (tDS),DIN将在SCLK上跳沿时同步输入(tDH),SCLK上跳沿之后,将忽略DIN。在CSn变低之后40 ns(tDV)内,DOUT开始有效,而在CSn拉高后40 ns(tTR)内,DOUT将输出保持高阻态,其时序描述如图2所示。
在内部时钟模式,系统将以较快的速率达到最大的吞吐量,并由内部时钟控制采样,用户只需提供一个字节的SCLK,再拉高CSn,即可启动转换。和外部采样模式相同,SSTRB上跳变表示转换完成,此时,用户便可提供两个字节的SCLK来读取转换结果。
在外部采样模式,系统将以最慢的转换速率达到最大的吞吐量,并由用户直接控制采样,用户可提供两个字节的SCLK,再将CSn拉高,以启动转换。SSTRB上跳变表示转换完成,用户提供两个字节的SCLK可读取转换结果。
MAX1032总共有三个控制字:模拟输入配置字、模式控制字和转换启动字。图2所示是模拟输入控制字和模式控制字的工作时序图。三个控制字均为8位。
对于模拟输入配置字,DO~D2是选择量程的,MAX1032总共有10种量程可以选择;D3是差分/单端选择位,为低表示采样信号为单端输入.为高表示差分输入。D4~D6是输入通道选择,总共有8个采样通道。D7是字开始位,置高表示字输入开始。
对于模式控制字,D0~D2必须为低,D3必须为高。D4~D6用于工作状态选择,总共有6种工作状态。D7是字开始位,同样,置高表示字输入启动。
转换启动字D7是字开始位,D4~D2是输入通道选择。用法和模拟输入配置字相同,操作时DO~D3必须为低。
三个控制字的输入顺序是模拟输入配置字,模式控制字,转换启动字。
3 硬件设计
图3所示是本系统的结构框图。由图3可见,模拟采样信号先经过一个运放。运放的作用是降低输入阻抗。以达到MAX1032输入阻抗小于17kΩ的要求。之后,再将利用CPLD控制MAX1032进行采样,采样结果回送至CPLD,之后经过处理后的数据传到系统,由系统再将一系列二进制数换算成最终的结果。框图里的系统可以是嵌入式微控制器,也可以是数字输入输出卡等控制系统。
图4所示是MAX1032的应用电路图。由于MAX1032只允许输入阻抗小于17 kΩ,而有的采样信号不一定能满足这一要求,故需要对采样信号进行一定处理,以降低信号的输出阻抗。由于射极跟随器的输出阻抗趋于零,故将待采样信号连到射极跟随器上可以有效降低其输出阻抗。本文选用的运放为OP07,该运放具有很低的输入失调电压和漂移,而且精度相当高,适合作为模拟信号前置运放。如将OP07接成负反馈模式,使输出等于1+R1/R2,并将滑动变阻器R1调至0Ω,那么它就可以当做电压跟随器使用。
图4中,MAX1032的外部参考电压由LTC6652提供。LTC6652是高精度电位参考芯片,本文使用4.096 V作为MAX1032外部参考电压。REFCAP在此模式下可接到5 V电源。由于MAX1032是由CPLD控制,故将DVDDO连到3.3 V。
4 CPLD逻辑设计
CPLD和MAX1032的连接图如图5所示。其中,CPLD可以选用Ahera公司的MAXII系列器件EPM240或EPM570。
CPID的程序设计主要由两部分组成,第一部分是产生MAX1032的控制信号,第二部分是对MAX1032的输出结果进行处理。
clk_1MHZ为CPLD时钟,选1 MHz。通过CPLD可在内部对时钟进行分频,输出SCLK可作为MAX1032的输入时钟。DI由系统给CPLD输入,作用是选择MAX1032的控制字,同时也是CPLD的复位控制。DIN_out是给MAX1032加载的串行控制字,其加载时序可利用计数器控制。本例采用外部时钟模式,模拟输入配置字为10000110。第七位1是字开始标志;六到四位为0表示选择CH0通道输入,第三位为0表示采样信号单端输入;二到零位为110,表示量程选择0~12 V。模式控制字为10001000,第七位1是字开始标志,六到四位为0表示使用外部时钟模式。三到零位为100 0是芯片强制输入。加载完模拟输入配置字和模式控制字之后,就可以启动采样,以加载转换启动字开始采样。转换启动字为10000000时,第七位1是字开始标志,六到四位为0表示选择CH0通道输入,三到零位为0000是芯片强制输入。MAX1032控制协议和SPI类似,在SCLK的上跳沿输入,下跳沿输出。片选信号CSn时序利用计数器控制,每个控制字之间的CSn必须有一个高脉冲,脉宽至少40 ns(tCSPW),每个控制字输入完后,CSn可以立即拉高(tCSH)。以下是可综合的MAX1032控制程序的主要代码:
图6所示是Modelsim的仿真波形。SCLK上跳沿DIN_out的数据被MAX1032读取。
程序的第二部分的作用是将MAX1032输出的串行采样结果存入CPLD内部的一个14位寄存器。采样结果DOUT_in_S是14位的串行序列。CPLD在SCLK的上跳沿读取数据后,可将其存到一个内部寄存器,再由DOUT选择输出寄存器的高或低八位数据读出。最后的采样结果是并行输出的。总共2个字节,末两位数据无效。对于外部时钟模式,可从加载转换启动字开始计算,在第16个SCLK下跳沿,芯片将输入采样结果。得到结果即可按照公式(采样电压=12x(转换成十进制的输出结果)/16384)进行计算。以下是这部分功能的可综合代码:
图7所示是Moddsim仿真的CPLD读取MAX1032的采样结果并将其存入寄存器DOUT_P_buf的仿真图。由图可见,在启动采样后的第16个SCLK的下跳沿,MAX1032输出14位串行采样结果,CPLD将其存入内部寄存器中以待系统读取。一般在下一次采样之前,需要将CPLD复位来清除上一次采样的数据。由于外部时钟模式下的SSTRB始终为低,故本例没有对该信号进行处理。
5 结束语
本文介绍了利用CPLD控制MAX1032进行采样的实现方法,包括CPLD的内部逻辑设计和对采样信号的处理等。实验证明,该方法能够适用需要使用CPLD控制外围电路的场合。
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