1 ADS1210/1211概述
　　ADS1210/1211是高精度,、寬動態(tài)特性的Δ－Σ型模擬/數(shù)字轉換器,。它的差動輸入端可以直接與傳感器或微小的電壓信號相連,。其內部的Δ－Σ結構可確保它的寬動態(tài)特性和24位的分辨率,。由于采用了低噪聲的輸入放大器,，可以在轉換速度為10Hz時獲得23位的有效分辨率,；借助于其內部獨特的調制器加速操作模式，在轉換速度為1kHz時仍可達到20位的有效分辨率,。該轉換器動態(tài)特性的大大提高主要依賴于其前級的低噪聲程控放大器,，其放大倍數(shù)可從1到16進行設定，以2倍步長增加,。該A/D轉換器都有一個靈活的同步串行接口,，它與SPI兼容并且可以提供雙線控制模式。該A/D轉換器為單一+5V供電,，有內/外參考電壓和內部自校準系統(tǒng),。ADS1210/1211主要用于工業(yè)過程控制、儀器儀表,、色譜分析,、靈巧傳感器、便攜式儀表,、稱重儀器,、壓力傳感器、高分辨率測量場合,。
2 ADS1210引腳功能
　　ADS1210是單通道的A/D轉換器,，ADS1211多了一個4通道多路開關,。ADS1210的封裝形式有18腳雙列直插式和18線貼片式。引腳排列如圖1所示,。ADS1210各引腳的功能如表1所示,。

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3 ADS1210/1211的結構及工作原理
　　ADS1210/1211由程控增益放大器、二階Δ－Σ調制器,、程控數(shù)字濾波器和微處理器組成,。微處理器中有指令寄存器、命令寄存器,、校準寄存器,、串行接口、時鐘產生電路和2.5V的內部參考電壓電路,。此外,，ADS1211還有一個4路的多路開關。ADS1210/1211的結構如圖2所示,。

　　為了提高系統(tǒng)的動態(tài)特性,，ADS1210/1211采用了一種獨特的電容切換結構來提高輸入電容的采樣速度，從而可以使系統(tǒng)工作在加速模式(Turbo Mode)下,。通常情況下,，在系統(tǒng)時鐘為10MHz時對應的采樣速度為19.5kHz，利用它可將調制器的采樣速度以2,、4,、8、16倍的速度增加,，將采樣速度提高到39kHz,、78kHz、156kHz或312kHz,。隨著采樣速度(頻率)的增加,，在轉換速度不變的情況下，A/D轉換器的有效分辨率會相應地增加,。采樣速度的每一次提升,，在轉換速度不變的情況下都會使系統(tǒng)的動態(tài)性能大大提高。有關加速因子(TMR),、轉換速度和有效分辨率三者之間的關系如表2所示,。

　　ADS1210/1211的程控增益放大器(PGA)的增益設置為1、2,、4,、8或16。從本質上講，它增加了系統(tǒng)的動態(tài)范圍,，簡化了與傳感器的接口,。程控增益是通過輸入電容改變采樣次數(shù)來實現(xiàn)的。例如,，采樣頻率為19.5kHz時PGA的增益為1,；采樣頻率為312kHz時PGA的增益為16。由于加速模式和PGA的增益都是通過改變采樣次數(shù)來實現(xiàn)的,，所以PGA的增益和加速因子(TMR)的乘積應≤16,，如表3所示。

　　ADS1210/1211輸出數(shù)據(jù)的速度可以從幾Hz到高達15625kHz,，速度愈高,，分辨率愈低,。改變ADS1210/1211的轉換速度不會改變輸入電容的采樣速度,，但會影響用于計算每次輸出結果的采樣數(shù)據(jù)的個數(shù)。
　　ADS1210/1211內部還有一個完整的自校正系統(tǒng),，用于校正內部偏差,、增益誤差及一些外部誤差。內部校準操作可在需要時進行,，也可以自動或連續(xù)地進行校準,，但必須為ADS1210/1211提供適當?shù)妮斎腚妷骸Ｅc此相對應的校準寄存器既可讀又可寫,，這一特性使得用戶可以在多種情況下——不同的轉換速度,、不同的TMR以及不同的PGA增益之間進行切換而不必重新校準。
　　ADS1210/1211的各種參數(shù)如增益,、加速因子,、模式選擇及寄存器數(shù)據(jù)都是經過一個同步串行接口進行讀/寫的。該接口可工作在自供時鐘模式(主模式)和外供時鐘模式(從模式)下,。在主模式下,，串行時鐘的頻率(SCLK)為ADS1210/1211時鐘頻率XIN的1/2。在很多場合,，串行時鐘的頻率是一個需要考慮的重要的參數(shù),，因為它決定了ADS1210/1211能夠采用的最大時鐘頻率。在這里,，需要明確幾個概念：
　　f_XIN是指從X_IN引腳引入的時鐘信號的頻率,。它可以是外接的晶振頻率，也可以是與CMOS兼容的外部時鐘信號的頻率,。
　　f_MOD是指ADS1210/1211中的調制器的工作頻率,。它由下式給出：
　　
　　式中的Turbo Mode是指加速因子的值。
　　f_SAMP是指ADS1210/1211中的輸入電容的工作頻率或轉速速度。它由下式給出：
　　
　　從式中不難看出,，f_SAMP不只與Turbo Mode有關,，還與PGA增益有關。
　　f_DATA是ADS1210/1211產生數(shù)字輸出量的頻率,，它的倒數(shù)為t_DATA,。顯然，f_DATA也可叫做轉換速度,。它由下式給出:
　　
　　式中的抽取率(Decimation Ratio)是指用于計算數(shù)字量輸出而采納的調制器結果的個數(shù),。如抽取率為十中取一，其含義就是將最近的調制器輸出的十個數(shù)據(jù)進行計算(如取平均值),，計算結果就是本次A/D轉換的結果,。這里的計算工作是由ADS1210/1211中的數(shù)字濾波器來完成的。
4 ADS1210/1211的應用
　　ADS1210/1211作為高精度,、高分辨率的A/D轉換器,，它的應用非常廣泛。在這里,，我們以高精度的智能數(shù)字電壓表為例來介紹它的應用,。由于ADS1210/1211內部具有自動增益(PGA)電路，它可以根據(jù)輸入信號的大小自動調節(jié)增益,；再者,，作為高精度、高分辨率的A/D轉換器,，ADS1210/1211為我們提供了高精度,、高分辨率的數(shù)字信號輸出，從而實現(xiàn)了電壓的自動測量,。
4.1 微處理器簡介
　　ADS1210/1211之所以能實現(xiàn)其獨特的功能,，與其內部的微處理器是分不開的。該微處理器包括一個ALU和一個寄存器陣列,。它有兩種工作狀態(tài)：上電復位狀態(tài)和轉換狀態(tài),。在上電復位狀態(tài)，微處理器將內部所有的寄存器復位成缺省狀態(tài),，將調制器復位成穩(wěn)定狀態(tài),，以850Hz的頻率進行自校準；然后就進入轉換狀態(tài),，即正常操作模式,。它的內部有5個寄存器，如表4所示,。其中有兩個寄存器用于控制A/D轉換器的操作,，它們分別叫做指令寄存器(INSR)和命令寄存器(CMR),。輸出數(shù)據(jù)寄存器(DOR)用于存放最新的轉換結果。補償及滿量程校準寄存器(OCR和FCR)存放著用于對輸出結果進行修正的數(shù)據(jù),，校準之后,，才能將數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)寄存器(DOR)。這兩個寄存器中的數(shù)據(jù)可能是一次校準過程后的結果,，也可能是通過串行口直接寫入的數(shù)據(jù),。
　　下面，我們就來介紹幾個主要的寄存器,。

4.1.1 指令寄存器(INSR)
　　外界與ADS1210/1211的通信是通過指令寄存器(INSR)來控制的,。在正常操作模式下，每一次的串行通信總是最先從寫INSR開始的,，寫入的指令用于確定接下來的通信形式,。注意：INSR只能寫不能讀。INSR是一個8位的寄存器,，它命令串行口從指定的位置讀/寫“n”字節(jié)的數(shù)據(jù)/命令,。其具體格式如下：

　　
　　：讀/寫選擇位。若接下來出現(xiàn)的是寫操作,，則該位應為“0”,；若為讀操作,，則為“1”,。
　　MB1 MB0：多字節(jié)選擇位。這兩位用來控制讀/寫操作的字長,，有1,、2、3和4字節(jié)等四種字長供選擇,。
　　A3～A0：地址位,。這4位用于指定讀/寫開始的寄存器位置。
　　每一次的串行通信都是從發(fā)送給INSR指令開始的,，它規(guī)定了接下來通信的過程,，包括讀/寫位、字節(jié)數(shù),、開始地址等,。當“n”字節(jié)傳送完畢，INSR的工作就完成了,。一個新的通信周期從發(fā)送一個新的INSR指令開始,。
4.1.2 命令寄存器(CMR)
　　命令寄存器(CMR)用來控制ADS1210/1211的所有選項和操作模式，包括PGA的增益設置,、Turbo Mode Rate的設置,、輸出數(shù)據(jù)的速度(抽取率)的設置等。CMR是唯一的一個32位寄存器，它和其余的寄存器一樣都是既可讀又可寫的寄存器,。當命令字的每一字節(jié)的最后一位寫入命令寄存器且SCLK出現(xiàn)負跳變時,，新的操作命令就起作用了。CMR格式如表5所示,。

　　BIAS：偏置電壓位,。該位用于控制V_BIAS的輸出狀態(tài)。BIAS＝1,，V_BIAS為激活狀態(tài),，其值為1.33×REF_IN；BIAS＝0,，V_BIAS為關閉狀態(tài),，沒有偏置電壓。當內部參考電壓輸出端REF_OUT接至REF_IN時,，V_BIAS＝3.3V(標稱值),。
　　REFO：參考電壓位。該位用于控制內部參考電壓的輸出狀態(tài),。REFO＝1,，內部參考電壓為激活(開)狀態(tài)，其值為2.5V,；REFO＝0,，內部參考電壓為關閉(高阻)狀態(tài)。
　　DF：數(shù)據(jù)格式位,。該位用于控制輸出數(shù)據(jù)的格式,。DF＝1，輸出數(shù)據(jù)為偏移二進制數(shù),；DF＝0,，輸出數(shù)據(jù)為二進制補碼數(shù)。除最高位之外,，兩種格式的數(shù)值相同,，且兩種格式的最高位正好相反。該位只對輸出數(shù)據(jù)寄存器DOR有效,，對其它寄存器無效,。
　　：單極性位。該位用于控制輸出數(shù)據(jù)的極性,。＝0,，輸出數(shù)據(jù)為雙極性；＝1,，輸出數(shù)據(jù)為單極性,，輸出結果限定為正值(包括0),。該位對ADS1210/1211的實際滿量程范圍、數(shù)據(jù)格式等沒有任何影響,。在雙極性模式下,，ADS1210/1211正常工作；在單極性模式下,，只是將轉換的結果限定為正值,，它只是控制著DOR中的數(shù)據(jù)，對內部數(shù)據(jù)沒有影響,，對該位清零后,，緊接著的轉換結果就為雙極性輸出。
　　BD：字節(jié)順序位,。該位控制著讀入字節(jié)數(shù)據(jù)的順序,。BD＝0，先讀最高字節(jié)(MSB),；BD＝1,，先讀最低字節(jié)(LSB)。在開始進行多字節(jié)讀操作時,，若BD＝0,，則指令寄存器中的A3～A0為最高字節(jié)的地址，接下來的字節(jié)將位于更高的地址中,；若BD＝1,，則指令寄存器中的A3～A0為最低字節(jié)的地址，接下來的字節(jié)將位于更低的地址中,。BD位只對讀操作有效,，對寫操作無效,。
　　MSB：位順序控制位,。該位控制著讀入字節(jié)數(shù)據(jù)時位的讀順序。BD＝0,，先讀最高位,；BD＝1，先讀最低位,。與BD位一樣,，MSB只對讀操作有效，對寫操作無效,。
　　SDL：串行數(shù)據(jù)線的選擇位,。該位用來指定ADS1210/1211的哪一個引腳為串行數(shù)據(jù)的輸出引腳。SDL＝0,，指定SDIO為輸出引腳,；SDL＝1,，指定SDOUT為輸出引腳。不難看出,，如果SDL＝0,，則SDIO既作為輸入引腳又作為輸出引腳，這在時序中會有所體現(xiàn),。此時,，SDOUT一直處于三態(tài)狀態(tài)。
　　：數(shù)據(jù)準備就緒位,。該位為只讀位,，它反映了引腳的狀態(tài)。＝0,，數(shù)據(jù)準備就緒,；＝1，數(shù)據(jù)沒有準備好,。
　　：數(shù)據(jù)同步位,。該位為只寫位，它與占用同一個口地址,。當把“1”寫入時,，將使調制器的計數(shù)復位至0；當把“0”寫入時,，調制器的計數(shù)無變化,。
　　MD2～MD0：操作模式位。該位用于啟動各種方式的校準模式,。
　　G2～G0：增益控制位,。該位用于設定PGA需要的增益值。
　　CH1～CH0：通道選擇位,。該位用于選通ADS1211的4路輸入通道中的一路,。對ADS1210而言，CH1～CH0必須設置為00,。
　　SF2～SF0：加速因子選擇位,。該位用于控制輸入電容的采樣頻率以及調制器的速度。
　　DR12～DR0：抽取率選擇位,。這些位用于選取ADS1210/1211的抽取率(Decimation Ratio),。有效的抽取率范圍為20～8000。若超出此范圍,，數(shù)字濾波器會由于數(shù)據(jù)不夠或數(shù)據(jù)過多而引起計算結果的不正確,。
4.1.3 輸出數(shù)據(jù)寄存器(DOR)
　　DOR為24位寄存器，用于存放最新的轉換結果,。DOR內容剛好在信號由高變低前被更新,。如果在1/f_DATA－12×(1/f_XIN)所定義的時間間隔內沒有讀DOR的內容,，則原有的內容將被覆蓋。(除非是在讀周期：否則,，在DOR被更新前,，被強制為高。)
　　從上面的分析中我們知道,，DOR的內容可以是補碼形式,，也可以是偏移二進制碼形式，這主要靠命令寄存器中的DF位來控制,。而且,，當命令寄存器中的＝1時，DOR中的數(shù)據(jù)被限定為單極性數(shù)據(jù),。
4.2 ADS1210/1211與單片機的接口
　　根據(jù)ADS1210/1211與外部器件接口信號的不同,，接口的形式可分為：雙線制、三級制,、四線制和多線制等,。我們采用三線制來實現(xiàn)ADS1210/1211與單片機的接口。ADS1210/1211與單片機的接口電路如圖3所示,。圖中,，ADS1210/1211與87C51單片機的接口信號有三條：、SDIO和SCLK,。它們是數(shù)據(jù)準備就緒線,、數(shù)據(jù)輸入輸出線和時鐘信號線，分別接至87C51單片機P1口的P1.1,、P1.2和P1.3引腳,。

4.3 程序設計
　　根據(jù)設計任務的要求，本系統(tǒng)是一個程控數(shù)字電壓表,，我們可寫出主程序的流程圖,，如圖4所示。具體程序從略,。