A/D转换器ADS1216的应用及效果

ADS1216是一种精密的、宽动态范围的Δ-ΣA/D转换器，具有24位分辨率，可工作在2.7～5.25V电压下。该Δ-ΣA/D转换器具有24位无遗漏码性能和22位有效分辨率，8个输入通道多路复用。当直接与传感器和低电压信号连接时，内部缓冲器可选择提供非常高的输入阻抗并提供了可熔电流源，允许检测传感器的开路或短路。一个8位数/模（D/A）转换器提供FSR（全范围）内的50%的偏差校正。

可编程增益放大器（PGA）提供1～128的可选增益，当增益为128时，有效分辨率为19位。A/D转换通过二阶Δ-Σ和可编程Sinc滤波器完成，参考电压为差分输入，片内电流DAC通过外部电阻设定最大独立工作电流。

串行接口与SPI兼容，8位数字I/O口可用于输出或输入。ADS1216主要用于工业过程控制、便携式仪器、智能变送器、压力传感器、热电偶及热电阻信号的测量，其特点如下：

·24位无遗漏码。

·0.0015%积分非线性误差。

·22位有效分辨率（PGA=1），或19位有效分辨率（PGA=128）。

·PGA增益从1～128可选。

·单周期设置模式。

·可编程数据输出，速率可达到1kHz。

·1.25/2.5V片内基准电压。

·0.1～2.5V片外差分基准电压。

·片内校准。

·SPI串行接口。

·工作电压为2.7～5.25V。

·功耗小于1mW。

1.引脚说明

ADS1216为48引脚TQFP封装，其引脚如图6-11所示。

图6-11 ADS1216引脚图

ADS1216引脚介绍如下：

AV_DD——模拟电源。

AGND——模拟地。

A_IN0～A_IN7——模拟输入通道0～模拟输入通道7。

A_INCOM——模拟输入公共端。

V_RCAP——VREF旁路电容。

IDAC1——电流DAC1输出。

IDAC2——电流DAC2输出。

R_DAC——电流DAC电阻。

BUFEN——缓冲使能。

——低有效，复位整个芯片。

X_IN——时钟输入。

X_OUT——时钟输出，使用晶振或谐振器。

——低有效，低功耗功能。

POL——串行时钟极性。

——低有效，同步控制。

DGND——数字地。

DV_DD——数字电源。

——低有效，数据准备好。

——低有效，芯片选择。

SCLK——串行时钟。

D_IN——串行数据输入。

D_OUT——串行数据输出。

D0～D7——数字量输入/输出接口0～7。

V_REFOUT——参考电压输出。

V_REF+——正差分参考输入。

V_REF-——负差分参考输入。

2.应用说明

（1）多路输入选择器

多路输入选择器可选择在任意输入通道进行差分输入的任意组合。在ADS1216中，如果通道1被选择作为正差分输入通道，任何其他通道可选为负差分输入通道。使用这种方法，可以配置8种全差分输入通道。

（2）温度传感器

一个片内二极管可用做温度传感器。当输入MUX的配置缓冲器全部置1时，二极管连到A/D转换器的输入上。

（3）可熔电流源（Burnout Current Sources）

当ACR（寄存器）的BOCS位被置位时，多路输入选择器中的两个电流源被使能。正输入通道的电流源提供大约2μA的电流，负输入通道的电流源接收大约2μA的电流，允许对差分输入对的开路（满刻度读数）和短路（0V差分读数）检测。

（4）IDAC1和IDAC2

ADS1216有两个8位电流输出DAC，可被独立控制。可通过R_DAC、ACR寄存器的范围选择位和IDAC寄存器内的8位数字值设置输出电流。输出电流=（V_REF/8R_DAC）（DAC代码）（IDAC1寄存器或IDAC2寄存器的值）。V_REFOUT=2.5V且R_DAC=150kΩ时，满刻度输出可被选为0.5mA、1mA或2mA。相应的电压范围为0～1V内的AV_DD。当使用ADS1216的内部电压基准时，可用做IDAC的参考电压。通过禁止内部参考电压，且将外部参考电压输入连到V_REFOUT引脚，IDAC可使用外部参考电压。

（5）可编程增益放大器

可编程增益放大器可设置增益为1、2、4、8、32、64或128。使用PGA能改善A/D转换器的有效分辨率。

（6）校准

ADS1216或整个系统的偏置或增益误差可通过校准来降低。ADS1216的内部校准称自校准，通过3个命令实现。对于系统校准，输入端必须输入适当的信号。

（7）参考电压

ADS1216可以使用内部或外部参考电压。上电时，被配置为内部参考电压2.5V。参考电压的选择通过状态配置寄存器来实现。内部参考电压可选为1.25V或2.5V。

（8）V_RCAP引脚

此引脚只对内部V_REF电路提供用于噪声滤波的旁路电容，推荐使用0.1μF陶瓷电容。如果使用外部V_REF电路，此引脚可悬空。

（9）时钟发生器

ADS1216使用的时钟源可由晶体、陶瓷谐振器、振荡器或外部时钟提供。当使用晶体时，晶体频率为2.4576MHz或4.9152MHz。

（10）数字I/O接口

ADS1216有8个专用的数字I/O引脚。数字I/O引脚的默认上电状态是输入。所有的数字I/O引脚可分别被配置为输入或输出。它们通过DIR控制寄存器配置。DIR寄存器定义引脚是输入还是输出；DIO寄存器定义数字输出的状态。当数字I/O引脚被配置为输入时，DIO被用做读引脚的状态。

（11）操作

在外部事件作用下提供A/D转换的精确同步。同步可通过DSYNC引脚或DSYNC命令来实现。

（12）存储器

ADS1216使用两种类型的存储器：寄存器和RAM。16个寄存器直接控制各种功能（PGA、DAC值等），并且可以直接读写。总体来说，寄存器包含配置所需的所有信息，如数据格式、多路选择器设置、校准设置等。

对寄存器和RAM的读写以字节为单位进行。然而，寄存器和RAM之间的复制以区为单位进行。RAM独立于寄存器，也就是说，RAM可被用做通用的RAM。

ADS1216支持8个模拟输入的任意组合。因为这种灵活性，ADS1216很容易支持8个独立的设置——一个输入通道对应一个设置。为了便于这种使用，有8个分别的寄存器区可用。因此，每个配置信息可被写一次，在需要的时候重新调用，这样不必重新发送所有的配置数据。另外，还提供了用于检验RAM完整性的校验和命令。

RAM提供了8个“区”，每个区包括16个字节，因此RAM的总容量是128个字节。RAM在上电时可通过串行接口直接读写。区允许分别存储每个输入的设置。

RAM地址是线性的，因此可通过自增量指针访问RAM。可以连续地在整个存储器映像中访问RAM，而不需要分别寻址每一个区。例如，如果正在访问区0的偏移为0xF的单元（区0的最后一个单元），下一个访问单元将是区1的偏移为0x0的单元。区7的偏移为0xF的单元后的任何访问都会返回到区0的偏移为0x0的单元。

3.寄存器定义

1）SETUP（地址00H）：设置寄存器。

复位值=iii01110B

位7位0

位5～7 出厂编程位

位4 SPEED：调节器时钟速率

0：f_MOD=f_OSC/128（默认）

1：f_MOD=f_OSC/256

位3 REF EN：内部参考电压使能

0=内部参考电压禁止

1=内部参考电压使能（默认）

位2 REF HI：内部参考电压选择

0=内部参考电压=1.25 V

1=内部参考电压=2.5 V（默认）

位1 BUF EN：缓冲器使能

0=缓冲器禁止

1=缓冲器使能（默认）

位0 BIT ORDER：设置位传送顺序

0=先传送最高有效位（默认）

1=先传送最低有效位

数据总是先传进或传出最高有效位。此配置位只是控制传出字节的位顺序。

2）MUX（地址01H）：多路选择器控制寄存器。

复位值=01H

位7 位0

位4～7 PSEL0～PSEL3：阳极通道选择

0000=A_IN0（默认）

0001=A_IN1

0010=A_IN2

0011=A_IN3

0100=A_IN4

0101=A_IN5

0110=A_IN6

0111=A_IN7

1×××=A_INCOM（除去位全为1的情况）

1111=温度传感器二极管阳极

位0～3 NESL0～NESL3：阴极通道选择

0000=A_IN0

0001=A_IN1

0010=A_IN2

0011=A_IN3

0100=A_IN4

0101=A_IN5

0110=A_IN6

0111=A_IN7

1×××=A_INCOM（除去位全为1的情况）

1111=温度传感器二极管阴极模拟地

3）ACR（地址02H）：模拟控制寄存器。

复位值=00H

位7 位0

位7 BOCS：可熔电流源

0=非使能（默认）

1=使能

位5、6 IDAC2R0和IDAC2R1：IDAC2的满刻度范围选择

00=关（默认）

01=范围1

10=范围2

11=范围3

位3、4 IDAC1R0和IDAC1R1：IDAC1的满刻度范围选择

00=关（默认）

01=范围1

10=范围2

11=范围3

位0～2 PGA0～PGA2：可编程增益放大器增益选择

000=1（默认）

001=2(www.chuimin.cn)

010=4

011=8

100=16

101=32

110=64

111=128

4）IDAC1（地址03H）：电流DAC1。

复位值=00H

位7 位0

DAC代码位可将DAC1的输出范围设为0至满刻度。满刻度电流值由此字节、V_REF、R_DAC和ACR寄存器的DAC1范围位设置。

5）IDAC2（地址04H）：电流DAC2。

复位值=00H

位7 位0

DAC代码位可将DAC2的输出范围设为0至满刻度。满刻度电流值由此字节、V_REF、R_DAC和ACR寄存器的DAC2范围位设置。

6）ODAC（地址05H）：偏移DAC设置。

复位值=00H

位7 位0

位7 SIGN：偏移标志

0=阳极

1=阴极

位0～6 OSET0～OSET6：偏移

偏移=（V_REF/2PGA）（Code/127）

7）DIO（地址06H）：数字I/O。

复位值=00H

位7 位0

如果在DIR寄存器中I/O引脚被配置为输出，那么写入这个寄存器的值会出现在数字I/O引脚上。读此寄存器会返回数字I/O引脚值。

8）DIR（地址07H）：数字I/O的方向控制。

复位值=FFH

位7 位0

DIR0～DIR7的某一位为0，表示对应的数字量输入/输出接口是输出：某一位为1，表示对应的数字量输入/输出接口是输入。默认上电状态是输入。

9）DEC0（地址=08H）：抽取寄存器（最低有效8位）。

复位值=80H

位7 位0

抽取值用11位定义了范围20～2047。此寄存器是最低有效8位。3个最高有效位包含在M/DEC1寄存器中。默认数据速率是2.4567MHz晶振下的10Hz。

10）M/DEC1（地址09H）：模式和抽取寄存器。

复位值=07H

位7 位0

位7 ：数据准备好（只读）

此位复制引脚的状态。

位6 ：数据格式。

0=双极，1=单极

ADS1216数据格式见表6-1。

表6-1 ADS1216数据格式

位4、5 SMODE0和SMODE1：设置模式

00=自动（默认）

01=Fast Settling（快速建立）滤波器

10=Sinc²滤波器

11=Sinc³滤波器

位0～2 DEC8～DEC10：抽取值的最高有效位

11）OCR0（地址0AH）：偏移校准系数（低有效字节）。

复位值=00H

位7 位0

12）OCR1（地址0BH）：偏移校准系数（中间字节）。

复位值=00H

位7 位0

13）OCR2（地址0CH）：偏移校准系数（高有效字节）。

复位值=00H

位7 位0

14）FSR0（地址0DH）：满刻度寄存器（低有效字节）。

复位值=24H

位7 位0

15）FSR1（地址0EH）：满刻度寄存器（中间字节）。

复位值=90H

位7 位0

16）FSR2（地址0FH）：满刻度寄存器（高有效字节）。

复位值=67H

位7 位0

4.命令

ADS1216的操作命令见表6-2。一些命令是独占的（如），然而其他命令需要附加字节（如WREG需要操作码、计数和数据字节）。操作码规定在数据准备好之前（如RDATA），输出数据最少需要4个f_OSC周期。

表6-2 ADS1216操作命令

（续）

注：n=计数（0～127）；r=寄存器（0～15）；x=无关位；a=RAM组地址（0～7）。

A/D首先接收最高位，数据输出格式由ACR寄存器中的BIT ORDER位设置。

串行外围接口（SPI）允许一个控制器与ADS1216同步通信。ADS1216只工作在从模式。

在一次SPI传送中，数据同时发送和接收。SCLK信号同步两个串行数据线：D_IN和D_OUT上的信息的移位和采样。为ADS1216的片选信号。为高电平时，ADS1216总线浮空。

时钟极性由POL引脚指定，POL选择高有效或低有效，对传送格式没有影响。

ADS1216的可编程功能由片内寄存器组来控制。数据通过部分串行接口写入这些寄存器，此接口也提供片内寄存器的读访问功能。

ADS1216的串行接口包括4个信号：、SCLK、D_IN和D_OUT。DIN用于将数据传送到片内寄存器，而D_OUT用于访问片内寄存器中的数据。SCLK是器件的串行时钟输入，且所有的数据传送（或是D_IN上的，或是D_OUT上的）与SCLK相关。用做状态信号，标志数据何时准备好，并从ADS1216的数据寄存器中读取。当DOR（数据输出寄存器）中有一个新的数据字可用时，变为低电平。当从数据寄存器的读操作完成后，被复位到高电平。在输出寄存器更新前，也变为高电平，以此来标志何时不读器件，以保证当寄存器被更新时不读数据。用做选择器件。它可在多个部件被连接到串行总线的系统中用于对ADS1216解码。通过置输入为低电平，ADS1216串行接口可以工作在三线模式。在这种情况下，SCLK、D_IN和D_OUT被用于与ADS1216通信。可以通过访问M/DEC1寄存器的位7来获得的状态。

5.ADS1216与CPU的接口

（1）硬件电路设计

ADS1216与AT89S52 CPU的接口电路如图6-12所示。

图6-12 ADS1216与AT89S52 CPU的接口电路

在图6-12中，AT89S52通过P1口与ADS1216相连，ADS1216采用内部参考电压，因此将V_REF+接到V_REFOUT，对地接0.1μF的滤波电容。IDAC1和IDAC2为可编程恒流源输出，用于测量热电阻信号，接线方式可为二线制、三线制和四线制。模拟输入A_IN0～A_IN7可直接接收毫伏电压信号，根据输入信号的幅度选择ADS1216内部PGA的增益，D0～D7可用做扩展I/O端口。

（2）程序设计

ADS1216程序设计如下：

1）预定义。

2）时钟子程序。

①入口：无。

②出口：无。

3）送数据子程序，将数据从累加器A送到ADS1216。

①入口：待送数据放在A中。

②出口：无。

4）写寄存器子程序，将A中数据送至B中数据所指定的寄存器。

①入口：待写数据放在A中，目标寄存器偏移地址在B中。

②出口：无。

5）等待DRDY信号有效子程序。

①入口：无。

②出口：无。

6）数据输出子程序，单字节数据从ADS1216输出至A中。

①入口：无。

②出口：输出单字节数据放在A中。

7）读取A/D转换结果子程序。

①入口：R0中放置存放结果单元首地址。

②出口：3字节转换结果输出至指定结果单元，首地址单元存放最高字节。

8）短时间延时子程序，等待D_OUT有数据输出。

①入口：无。

②出口：无。

9）系统自校准。

①入口：无。

②出口：无。

10）延时子程序。

①入口：无。

②出口：无。