高精度微功耗数据采集系统设计与应用

　　对于水下弱磁信号的检测和处理，需要一个能连续工作几个月甚至一年以上的采样精度很高的数据采集处理系统，这就要求该系统必须具有高精度微功耗的功能。本文所介绍的就是能满足这一要求的数据采集系统，它在笔者的工作中已经得到了充分的应用和试验。该系统采用ADS1212作为模/数转换器，它是一个具有高精度、宽动态特性的Δ-∑型A/D芯片。下面先对该芯片的主要特点和用法进行简要介绍，随后介绍ADS1212与微功耗单片机PIC16F84A 的接口电路及程序设计。

　　1 ADS1212/B简介

　　1.1 特点及结构

　　ADS1212特点如下：

　　(1)Δ-∑型A/D转换器。

　　(2)采样数据输出速率在10Hz时有效分辨率可达到20位，采样数据输出速率在1000Hz时有效分辨率可达16位。

　　(3)最低功耗为1.4mW。

　　(4)差分输入。

　　(5)具有可编程的增益放大器。

　　(6)SPI兼容SSI接口。

　　(7)可编程设置采样速率。

　　(8)可使用内部或外部的参考电压。

　　(9)具有芯片自校准功能。

　　ADS1212芯片为18脚DIP或SOIC封装，ADS1213含有一个四通道多

　　路开关，为24脚DIP或SOIC封装或28脚SSOP封装。其结构如图1所示，其内部由可编程增益放大器(PGA)、二阶Δ-∑调制器、调制控制单元、可编程数字滤波器、微控制器单元、寄存器组(指令寄存器、命令寄存器、数据寄存器、校准数据寄存器)、一个串行接口。一个时钟电路和一个内部2.5V电压基准等组成。

　　1.2 主要性能

　　可编程增益放大器的增益(G)可设为1、2、4、8、16，而加速因子(TMR)也可设为1、2、4、8、16，它们之间的关系为乘积应≤16，如表1所示。

　　表1 增益与加速因子的关系

　　采样精度同增益和加速因子的设置都有关系，具体如表2所示。这里需要指出的是，不能同时追求采样速度和采样精度，只有选取合适的速度和精度才能体现出该芯片的优势。

　　表2 采样精度与增益和加速因子的关系设G=1，fXIN=1MHz(fXIN是外部晶体振荡器频率)

　　1.3 主要功能寄存器

　　ADS1212/13内部有5种功能寄存器。其中指令寄存器(INSR)和命令寄存器(CMR)用于控制转换器的操作。数据输出寄存器(DOR)用于存放最新的转换结果。零点校准寄存器(OCR)和满量程寄存器(FCR)用于对转换结果进行校准。

　　指令寄存器INSR是一个8位寄存器，对ADS1211/10的每一步操作都是从它开始的。具体格式如下：