多通道模数转换芯片ADS7956的原理及应用

王晓君 曹光耀 王星

摘要：ADS7956是美国TI公司推出的一款多通道高精度的A/D转换芯片，它采用的是电压输入、逻辑控制、SPI数据串行输出，并具有多通道采集，分辨率高，功耗低，速度快，性能也十分稳定等特点。首先简要介绍了该芯片ADS7956的性能特点和结构，然后重点分析了串口逻辑时序，讨论了可以设定的三种工作模式，最后给出了该芯片一般的电路应用和部分编程代码，希望在今后的开发应用中，可以对相关的专业人士有一定的指导作用。

关键词：模数转换;多通道;ADS7956;SPI串行输出

中图分类号：TN79+2        文献标识码：A        文章编号：1009-3044（2018）34-0227-03

高性能多通道的模数转换芯片被广泛应用于通信、计算机和医疗设备等领域，对国民经济、国防建设以及科学研究具有重要意义。一些特定设备需要同时采集多路信号，并且对信号处理的实时性要求非常高，于是分辨率高、通道数多、可靠性能高、低功耗、响应快的AD芯片越来越受到关注和应用。

1 性能特点

ADS79XX是TI（德州仪器）公司制造的多通道高精度的A/D转换芯片系列。而ADS7956是其中一款单5V供电，12通道的A/D转换芯片，是通道数最多的一种。它采用了成熟的CMOS制作工艺，电容性的再区分设计方法，在模拟输入端有一个电容阵列，使得这种SAR模数转换器时间延迟较短，可以满足DSP，MCU，FPGA等系统的快速性要求，具有很好的实时性。ADS7956拥有10bit的采样分辨率;47MHz的输入带宽和20MHZ的串行通信速率;最低有效位稳定至1LSB;输入电压信号的最大值取决于外部参考电压REFP，可以选择外接一个电压源，它的范围为2.7～5.25V;持续工作时典型功耗为14.5mW;具有超宽的工作温度范围：-40～+125°C。此芯片还拥有手动、自动1和自动2这三种工作模式，每种模式都要通过程序控制寄存器进行设置，来选择通道采集的工作方法。

2 芯片结构

ADS7956内部包含ADC转换单元、比较器、报警阈值单元和逻辑控制时序单元等。APIN引脚是ADC的输入口，而多路复用器输出在MXO的引脚上。通常将二者相连接，可以独立处理每个多路通道的信号输入。源阻抗可以设置在50Ω到10KΩ的范围内，如果一旦源阻比较大，另一种选择是MXO与AINP引脚之间可以连接一个运算放大器，添加一个通用的ADC驱动程序缓冲区。这可以在很大程度上放松对源阻抗的限制。

ADS7956设有报警阈值功能，一般根据自身需要来使用。Ch0—Ch11共12个通道，每个通道有两个警报程序寄存器，一个用于设置高警报阈值，另一个用于设置低报警阈值。警报程序寄存器中后10位的数据表示警报阈值，将10位报警阈值与上10位转换结果进行比较。当转换结果更高（高报警）或更低（地报警）时就会触发警报。从通道采集到模拟值，经AD转换，报警阈值比较后，输出数据在SDO上。ADS7956的内部结构框图如图1所示。

SCLK为时钟信号，SDO为输出的数据位，每一帧都以CS的下降沿开始。随着CS信号的下降，选择的输入信号通道被取样，转换过程被启动。设备在转换的过程中同时输出数据，16位的数据字包含一个4位通道地址，然后是10位的转换结果。数据按最高有效位（Most Significant Bit，MSB）优先的方式逐位写入移位寄存器。

在可编程通道选择方式下，通道的选择是根据在模式控制寄存器中設定工作模式，再对数据位进行配置确定的。ADS7956有三种工作模式，即手动模式、自动1模式和自动2模式。在手动模式下，对于每一个通道的选择，其通道地址必须单独配置，比较繁琐。自动1模式下，通道计数器可以在每次转换后自动增加到下一个通道，也可以重置到最低的编程通道。自动2模式下，通道计数器也会在每次转换后自动增加。按着升序方式，自动扫描从第0通道到通过程序寄存器配置的最后一个通道。三种模式下，都有模式控制寄存器可以设置。只有自动1和自动2模式下有程序控制寄存器可以设置。例如表1为手动模式控制寄存器设置。

4 典型的电路接法

性能良好的转换器需要一个干净、低噪音、良好解耦的参考电压。因为REF5025系列芯片具有很好的稳定性，可以使用在高精度的数据采集系统中，所以我们将ADS7956参考信号输入端REF连接REF5025的输出信号。当然，要在REF5025的输出引脚6与4之间接入一个10uF电容，起到对接入ADS芯片的信号进行滤波的作用，使测得的信号的数值更加精确稳定。SPI的串行通信接口SDO、SDI、SCLK、和CS引脚引出后可以与主CPU相连接，进行通信。电路如下图3所示：

6 结语

本文介绍的多通道模数转换芯片ADS7956具有串行输出，功耗少，成本低，精度高，速度快等特点，并且易于扩展，不易受干扰。如配合适当的信号调理电路和其他外围电路，此芯片可以输出高质量的波形信号，可以广泛地应用于高精度的控制场合、波形产生电路或精密仪器中。

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