12位AD轉(zhuǎn)換器MAX197及其在諧波分析儀中的應(yīng)用

　【摘　要】　介紹了12位8通道AD轉(zhuǎn)換器MAX197的工作原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作模式及編程要點，并給出了其在“諧波分析儀”中的應(yīng)用實例。
??? 關(guān)鍵詞：MAX197，AD轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)采集

　　
　　隨著用電量的增加，電網(wǎng)的諧波污染變得日益嚴重，這就要求電力監(jiān)控設(shè)備能夠及時準確地對電網(wǎng)諧波分量進行監(jiān)測。我們研制的電網(wǎng)諧波分析儀，采用了MAX197對各相關(guān)點的波形信號進行采集。運行實踐表明，MAX197的采樣精度及穩(wěn)定性是令人滿意的。

1　引　言

　　MAX197是MAXIM公司出品的12位8通道AD轉(zhuǎn)換芯片，其主要特點如下：

?????? ·12位分辨率；·單＋5V工作電源；
　? ·可軟件選擇模擬量輸入范圍：±10V，±5V，0V～10V，0V～5V；
????? ·8個模擬輸入通道；
??? ·6μs轉(zhuǎn)換時間，100ksps采樣速率；
??? ·可采用內(nèi)部或外部采集控制模式；
??? ·兩種電源關(guān)斷模式；
????? ·內(nèi)部或外部時鐘；
????? ·內(nèi)部4．096V參考電源或外界參考電源。

2　內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳說明

　　圖1所示為MAX197的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，其核心部分是一個采用逐次逼近方式的DAC，前端包括一個用來切換模擬輸入通道的多路復(fù)用器以及輸入信號調(diào)理和過壓保護電路。其內(nèi)部還建有一個2．5V的帶隙基準電壓源。
??? 圖2為其引腳封裝圖。
　　各引腳的說明如表1所示。

??? MAX197既可以使用內(nèi)部參考電壓源，也可以使用外部參考電壓源。從圖1可以看出，當使用內(nèi)部參考源時，芯片內(nèi)部的2．5V基準源經(jīng)放大后向REF提供4．096V參考電平。這時應(yīng)在REF與AGND之間接入一個4．7μF電容，在REFADJ與AGND之間接入一個0．01μF電容。
　　當使用外部參考源時，接至REF的外部參考源必須能夠提供400μA的直流工作電流，且輸出電阻小于10Ω。如果參考源噪聲較大，應(yīng)在REF端與模擬信號地之間接一個4．7μF電容。
　　模擬量輸入通道擁有±16．5V的過電壓保護，即使在關(guān)斷狀態(tài)下，保護也有效。

3　運行及控制模式

　　通過對控制寄存器的設(shè)置，MAX197可以工作在不同的運行及控制模式，表2就是控制寄存器格式。 　　下面我們重點討論不同的時鐘模式、采集控制模式、電源關(guān)斷模式以及轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取。
??? （1）時鐘模式
　　通過對控制寄存器的D6、D7位置數(shù)，可以選擇MAX197使用外部時鐘或內(nèi)部時鐘。一旦選定時鐘模式，除非斷電（不包括電源關(guān)斷模式），否則，所選時鐘模式不可再改變。在兩種時鐘模式下，外部采集和內(nèi)部采集控制模式都可選用。當芯片上電時，初始狀態(tài)為外部時鐘模式。
　　選擇內(nèi)部時鐘模式時，應(yīng)在CLK端和地之間接入一個電容，不同的電容值對應(yīng)不同的內(nèi)部時鐘周期。
??? 工作時鐘的最大值為2MHz。
??? （2）采集控制模式
　　通過將控制寄存器的ACQMOD位置0可選擇內(nèi)部采集控制模式。在內(nèi)部采集控制模式下，寫信號脈沖將開始一個由內(nèi)部定時控制長度的采集間隔。在6個時鐘周期長度的采集間隔結(jié)束時，將啟動下一個轉(zhuǎn)換。
??? 在內(nèi)部采集控制模式下，MAX197的模擬信號輸入電路擁有5MHz的信號帶寬，當使用內(nèi)部采集控制模式并使用外接2MHz時鐘時，可達到100ksps的通過速率。
　　通過將控制寄存器的ACQMOD位置0可選擇外部采集控制模式。采用外部采集控制模式是為了精確控制采樣孔徑或獨立控制采集和轉(zhuǎn)換時間。由用戶分別通過兩個寫信號脈沖控制采集間隔和開始轉(zhuǎn)換時間，第一個寫信號脈沖時將控制寄存器的ACQMOD位置1，開始一個采集間隔。第二個寫信號脈沖時將控制寄存器的ACQMOD位置0，結(jié)束采集間隔并開始轉(zhuǎn)換。然而，如果在第二個寫信號脈沖時將控制寄存器的ACQMOD位置1，則將開始又一個采集間隔。
　　在第一個寫信號脈沖和第二個寫信號脈沖時，控制寄存器中的模擬通道選擇位必須置相同的值。電源關(guān)斷模式控制位可以置不同的值。
??? （3）電源關(guān)斷模式
　　為節(jié)省能源，MAX197可以在兩次轉(zhuǎn)換之間工作于低電流關(guān)斷模式。有兩種電源關(guān)斷模式供選擇，通過控制寄存器的PD1、PD0位，可以選擇STBYPD（待機）模式或FULLPD（全關(guān)斷）模式。當STBYPD關(guān)斷模式被設(shè)置后，只有在轉(zhuǎn)換結(jié)束后才生效。在STBYPD模式下，芯片在第一個寫信號的下降沿返回正常狀態(tài)。
　　當FULLPD關(guān)斷模式被設(shè)置且SHDN端變?yōu)榈碗娖綍r，芯片處于硬件全關(guān)斷狀態(tài)（FULLPD），此時將馬上中止轉(zhuǎn)換。
　　這里須強調(diào)的是，在不同的關(guān)斷模式下，芯片由關(guān)斷到恢復(fù)正常狀態(tài)時的過渡過程是不一樣的。軟件設(shè)計時，必須充分考慮到這一特點。
　　在STBYPD模式時，帶隙參考源和參考源放大電路仍然保持工作，REF上的電壓將不受模式轉(zhuǎn)換的影響。因此，可以在這種模式時選擇任何采樣速率而不用考慮恢復(fù)正常狀態(tài)時的延遲。即在兩次轉(zhuǎn)換之間選用STBYPD關(guān)斷模式時，不用考慮過渡時間。
　　然而，在FULLPD模式下，只有帶隙參考源在工作，芯片由關(guān)斷到恢復(fù)正常狀態(tài)時存在一個過渡過程。為了減小過渡過程的影響，應(yīng)在REF與AGND之間接入一個33pF的電容。
??? （4）轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取
　　輸出數(shù)據(jù)采用無符號二進制模式（單極性輸入方式）或二進制補碼形式（雙極性輸入方式）。當CS和RD都有效時，HBEN為低電平，低8位數(shù)據(jù)被讀
出，HBEN為高電平，復(fù)用的高4位被讀出，另外4位保持低電平（在單極性方式下），或另外4位為符號位（在雙極性方式下）。
　　當轉(zhuǎn)換結(jié)束并且結(jié)果有效時，轉(zhuǎn)換完成中斷信號端INT發(fā)出一個低電平信號，當讀信號結(jié)束或一個新的控制字節(jié)被寫入時，INT端重新變?yōu)楦唠娖健?br>　　在轉(zhuǎn)換期間寫入一個新的控制字節(jié)將導(dǎo)致轉(zhuǎn)換中止并開始一個新的采集間隔。

4　在電網(wǎng)諧波分析儀中的應(yīng)用

　　電網(wǎng)諧波分析需要采集的數(shù)據(jù)包括三相線路的電壓、電流及零序電流共七個量（對于每條輸電線路），MAX197的多通道輸入、較高的分辨率、適中的轉(zhuǎn)換速率以及可雙極性輸入等特點非常適于電網(wǎng)諧波分析的數(shù)據(jù)采集。
　　我們研制的電網(wǎng)諧波分析儀，采用了MAX197與80C196KC單片機負責(zé)前臺的數(shù)據(jù)采集和傳輸工作。其接口示意圖如圖3所示。

　　為了減小讀取MAX197低8位和高4位數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換時間，我們在接口電路上采取了一定的技巧，即把HBEN（復(fù)用控制）信號與CS（片選）信號都接入由GAL芯片組成的譯碼電路，這樣，對于80C196KC單片機而言，讀取MAX197低8位和高4位數(shù)據(jù)時，對應(yīng)的硬件地址是不同的，從而不需要在采集軟件中對HBEN信號進行專門的控制。
　　由于MAX197采用了比較特殊的采集控制方式，要想充分發(fā)揮最高100ksps的通過速率并可靠地讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，必須非常小心地設(shè)計數(shù)據(jù)采集軟件，這里要強調(diào)以下幾點：
　　（1）AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取控制。當AD轉(zhuǎn)換結(jié)束并且結(jié)果有效時，MAX197的INT端變?yōu)榈碗娖街敝翑?shù)據(jù)被讀取。根據(jù)INT信號處理方式的不同，轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取一般可以采用中斷方式或查詢方式。在80C196KC單片機中，中斷的最小調(diào)用時間為21個狀態(tài)周期，顯然采用查詢方式處理INT信號的效率要高于中斷方式。

　?。?）AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取時機。我們在設(shè)計時采用的是MAX197的內(nèi)部采集控制模式，這一?！　∈降腁D轉(zhuǎn)換啟動是在對MAX197進行寫操作（寫控制寄存器）后6個時鐘周期，MAX197的最小AD轉(zhuǎn)換時間為12個時鐘周期，即在寫操作后直至INT信號變?yōu)榈碗娖剑辽儆?8個時鐘周期，當采用2MHz時鐘時，這一時間為9μs，即72個80C196KC單片機狀態(tài)周期（采用16M晶振），這段時間足以讀取上次AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果（此時仍然有效）。讀取完成后再進行查詢INT信號的操作。這樣可以充分利用兩次AD轉(zhuǎn)換完成之間的時間間隔，而不必一味地查詢等待。
　　綜上，一個典型AD轉(zhuǎn)換的控制與讀取程序流程（不含初次轉(zhuǎn)換和最后一次轉(zhuǎn)換的判斷）見圖4。
　　按照上面的方法，我們在諧波分析儀的數(shù)據(jù)采集中做到了在一個工頻周期（20ms）內(nèi)對每路信號采樣64個點，7路信號共采樣448個點。實際上，這一采樣速率還可進一步提高。

1　孫涵芳．Intel16位單片機．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1995