基于A/D转换器ADS7813的信号采集系统设计
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【摘要】介绍了一种串行16位A/D转换器ADS7813的主要特性、使用方法，以及它与单片机组成的多路模拟信号采集系统，最后提出了ADS7813应用中应注意的问题。
【关键词】ADS7813；A/D转换；串行通信；信号采集
1.引言
在水下载体运行过程中，需要及时地对其一些信号进行采集，例如：仪器、动力电源分配盒的温度信号采集、水下载体运行深度信号采集、水下载体漏水报警信号采集、舵机的舵角信号采集等，其分辨率和控制精度误差要求非常高，同时要对多路信号进行采集，因此需要多路信号采集与控制系统。由于对采集系统的分辨率和控制范围要求都非常高，需要14位以上的A/D转换器。ADS7813是一款16位高速A/D，可以适应这个要求。此方案具有精度高，电路结构简单，系统稳定可靠等特点。
2.ADS7813的应用特性、工作原理
2.1 ADS7813的应用特性
ADS7813是美国BB公司生产的一种低电压供电、高性价比的串行16位A/D转换器。该A/D转换器内部包含一个带有采样/保持（S/H）电路、基于电容的逐次逼近型（SAR）A/D，内部时钟电路，内部基准产生电路和串行数据接口电路等，同时，该A/D转换器可以配置为多种输入电压范围，包括±10V，±5V，0V～10V，0.5V～4.5V。灵活的兼容性QSPI串行通信可以通过内部或者外部时钟将数据同步输出。具体归纳起来ads7813具有如下特性[2]：（1）最大转换时间20us；（2）单电源+5V供电；（3）引脚与12位的ADS7812完全兼容；（4）易于使用的串行数据接口；（5）最大积分和微分非线性误差为±2.0LSB；（6）最小信号-噪声及失真比为87dB；（7）带有内部采样/保持器；（8）可使用内部或外部基准电源；（9）可使用内部或外部同步时钟信号；（10）可输入多种范围的模拟信号；（11）最大功耗35mW和50uW的掉电模式。
2.2 工作原理
2.2.1 启动转换
输入引脚上的信号下降沿将使转换器内部的采样/保持器处于保持状态，同时启动一次转换过程。在转换过程中，输入状态的变化将被忽略，每25us可以进行一次启动过程。
理想情况下，输入应为低电平，然后在转换过程中保持低电平。在当变为高的时候变为高电平，另外一种可行的方法是在开始启动后尽快将配置为高电平。例如，一个100ns宽的低电平脉冲就是一个很好的输入。由于从开始启动到上升后的时间内，转换器对外部干扰会很敏感[1]，强烈推荐从使用100ns的脉冲进行启动转换。图1所示为基本的转换时间。
2.2.2 读取转换结果
对于使用外部时钟的转换电路来说，第n次的转换结果可以在本次转换完成后到下一次转换开始前这段时间输出，也可以在第n+1次转换过程中输出，或者是在本次转换完成后和下一次转换过程中段续输出。
对于一般应用场合，每个输出位在DATACLK的下降沿都是无效的，但某些情况下，输出位在DATACLK的上升沿是有效的，但是需要加一个额外的时钟周期为最后一位服务。且这个额外的DATACLK信号必须为低电平或者必须在上升前为高电平。
如果该时间内该条件未能得到遵守，ADS7813的移位寄存器将不会被转换结果更新，前一个移位寄存器的内容将保持不变，转换的新结果将丢失。
串行传送转换结果由DATACLK的上升沿触发。数据以16位，二进制的补码的格式输出。
3.由ADS7813组成的多路信号采集系统
该系统用于4路模拟量采集，主要分为五个部分：信号转换部分、前级处理单元、多路选择器、A/D处理单元和微处理单元。下面简单介绍一下系统结构：四路信号通过前级传感器将其转变成4～20mA电流信号，再经过精密电压程控放大器变成0～5V的电压信号，然后送入多路选择器，由单片机的I/O口控制选通各个通道。考虑到多路选择器输出阻抗和A/D芯片的输入阻抗的匹配问题，在两者之间加上由OP07构成的精密电压跟随器。由于逐次逼近型A/D对干扰比较敏感，一般要求A/D转换器和CPU系统之间进行隔离，以防止数字电路对前级模拟电路产生干扰。本系统采用4片6N137高速光耦将A/D转换器与单片机之间进行模拟地和数字地的物理隔离。系统框图如图2所示[3-4]。
本系统的A/D芯片可以处理0～10V的电压信号，接班BUF，接GND，接。ADS7813的REF输出2.5V内部参考电压或者作为外部输入参考。同时REF引脚需要接一个1uF～2.2uF的钽电容到模拟地上，并且该电容应该尽可能地靠近ADS7813芯片。CAP脚用来补偿内部相关脉冲，需要接一个1uF钽电容和一个0.01uF的陶瓷电容到模拟地，钽电容和陶瓷电容并联相接，且陶电容应当尽量靠近ADS7813芯片。电容总量对于ADS7813的工作至关重要，该电容大于2.0uF将超出其缓冲能力，小于0.5uF可能会提供不了足够的补偿，影响其输出正确的数字量。本系统在设计电路板时将数字电路的地和模拟电路的地用光耦隔离，电源用专用的电源隔离芯片，从而防止单片机及其他高速数字电路对模拟地产生影响，进而影响ADS7813的处理结果。在采用恒压源加载在多路选择器上的条件下，ADS7813的实测精度可以达到15位。
系统的核心处理器采用8位高速单片机PIC16F877A，由于ADS7813的串行通信QSPI是一种兼容性的串行通信，所以不能直接与单片机的SPI串口进行通信，本系统所采集的方法是将ADS7813输出的串行数据经过74CH595芯片将数据转变成并行数据，再将并行数据传送给处理器，这样软件编写容易实现，下面给出部分C语言代码[5-6]，编译环境为MPLAB7.5。
//数据处理、传输：先传高8位后传低8位
Chuli（）
{
……
SSPBUF=a； //SPI串口传输数据
do{；}while（SSPIF==0）；
SSPIF=0；
SSPBUF=b；//传输低8位数据
do{；}while（SSPIF==0）；
SSPIF=0；
……
}
A/D采样程序
Caishu（）
{
……
for（count=0；count
{
……
PORTA_4=1；设置一个下降沿，准备启动A/D转换
do{；}while（INTF==0）；//等待A/D转换结束
INTF=0；
……
PORTB_2=1；//准备数据传输
data2=PORTD；
……
}
4.需要注意的问题
16位A/D转换器ADS7813的电源必须是线性、无杂波的干净电源。如果要求精度不是很高，一种可行的方法是设计一个+5V的线性调节器。串联5W～10W电阻到数字电源，同时增加旁路电容，将100mF或更大的钽电容和0.1mF陶瓷电容并联到ADS7813的电源输入端。钽电解电容器在低频段应用效果好，应装在电源入口处，陶瓷电容器在高频段应用效果好，应装在各集成电路的附近。
编写软件时，在A/D转换过程中，最好保持引脚电平状态不变，以免对A/D产生干扰。
参考电压引脚的滤波电容必须选用钽电容，且当采用内部参考电压时，参考电压端不允许施加任何负载。
该A/D芯片对静电压比较敏感，可能会因为静电而损坏，使得转换精度不能达到其说明书上的要求，因此存放和焊接时应做一些防护措施。
5.结束语
本文详细介绍了BB公司的16位高精度A/D转换器ADS7813的结构、特点和工作原理。给出ADS7813与PIC16F877A高速单片机的QSPI串行通讯接口设计及多路模拟信号采集系统的硬件电路，并给出了部分读写ADS7813的C语言代码，与传统方法相比，此系统不仅精度高、速度快，而且具有很强的抗干扰能力，给我们对采集的数据进行运算和处理带来方便。
参考文献
[1]穆洪德，使铁林，王峻峰.高精度A/D转换器与DSP接口设计与实现[J].微计算机信息，2006.
[2]LOW-Power，serial16-BitSamplingANALOG-TO-DIGITALCONVERTER.BURR-BROWN corporation.Printed in U.S.A.March，1997.
[3]广炎.串行A/D转换器ADS7813与单片机的接口技术[J].仪表技术，2001，3.
[4]魏佩敏.ADS7813及其在智能型互感器校验仪中的应用[J].电子技术，2002，5.
[5]谭浩强编著.C语言程序设计（第二版）[M].清华大学出版社，2002，7.
[6]蔡纯洁，刑武.PIC16/17单片机原理和应用[M].中国科学技术大学出版社，2007.
作者简介：吕志刚（1983—），男，江西抚州人，哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院研究生，中国船舶重工集团公司第七一〇研究所工程师，主要研究方向：UUV、ROV等水中兵器的研究。