12位AD转换器MAX197及其在谐波分析仪中的应用

　【摘　要】　介绍了12位8通道AD转换器MAX197的工作原理、内部结构、工作模式及编程要点，并给出了其在“谐波分析仪”中的应用实例。
    关键词：MAX197，AD转换，数据采集

　　
　　随着用电量的增加，电网的谐波污染变得日益严重，这就要求电力监控设备能够及时准确地对电网谐波分量进行监测。我们研制的电网谐波分析仪，采用了MAX197对各相关点的波形信号进行采集。运行实践表明，MAX197的采样精度及稳定性是令人满意的。

1　引　言

　　MAX197是MAXIM公司出品的12位8通道AD转换芯片，其主要特点如下：

       ·12位分辨率；·单＋5V工作电源；
　  ·可软件选择模拟量输入范围：±10V，±5V，0V～10V，0V～5V；
      ·8个模拟输入通道；
    ·6μs转换时间，100ksps采样速率；
    ·可采用内部或外部采集控制模式；
    ·两种电源关断模式；
      ·内部或外部时钟；
      ·内部4．096V参考电源或外界参考电源。

2　内部结构和引脚说明

　　图1所示为MAX197的内部结构框图，其核心部分是一个采用逐次逼近方式的DAC，前端包括一个用来切换模拟输入通道的多路复用器以及输入信号调理和过压保护电路。其内部还建有一个2．5V的带隙基准电压源。
    图2为其引脚封装图。
　　各引脚的说明如表1所示。

    MAX197既可以使用内部参考电压源，也可以使用外部参考电压源。从图1可以看出，当使用内部参考源时，芯片内部的2．5V基准源经放大后向REF提供4．096V参考电平。这时应在REF与AGND之间接入一个4．7μF电容，在REFADJ与AGND之间接入一个0．01μF电容。
　　当使用外部参考源时，接至REF的外部参考源必须能够提供400μA的直流工作电流，且输出电阻小于10Ω。如果参考源噪声较大，应在REF端与模拟信号地之间接一个4．7μF电容。
　　模拟量输入通道拥有±16．5V的过电压保护，即使在关断状态下，保护也有效。

3　运行及控制模式

　　通过对控制寄存器的设置，MAX197可以工作在不同的运行及控制模式，表2就是控制寄存器格式。

　　下面我们重点讨论不同的时钟模式、采集控制模式、电源关断模式以及转换结果的读取。
    （1）时钟模式
　　通过对控制寄存器的D6、D7位置数，可以选择MAX197使用外部时钟或内部时钟。一旦选定时钟模式，除非断电（不包括电源关断模式），否则，所选时钟模式不可再改变。在两种时钟模式下，外部采集和内部采集控制模式都可选用。当芯片上电时，初始状态为外部时钟模式。
　　选择内部时钟模式时，应在CLK端和地之间接入一个电容，不同的电容值对应不同的内部时钟周期。
    工作时钟的最大值为2MHz。
    （2）采集控制模式
　　通过将控制寄存器的ACQMOD位置0可选择内部采集控制模式。在内部采集控制模式下，写信号脉冲将开始一个由内部定时控制长度的采集间隔。在6个时钟周期长度的采集间隔结束时，将启动下一个转换。
    在内部采集控制模式下，MAX197的模拟信号输入电路拥有5MHz的信号带宽，当使用内部采集控制模式并使用外接2MHz时钟时，可达到100ksps的通过速率。
　　通过将控制寄存器的ACQMOD位置0可选择外部采集控制模式。采用外部采集控制模式是为了精确控制采样孔径或独立控制采集和转换时间。由用户分别通过两个写信号脉冲控制采集间隔和开始转换时间，第一个写信号脉冲时将控制寄存器的ACQMOD位置1，开始一个采集间隔。第二个写信号脉冲时将控制寄存器的ACQMOD位置0，结束采集间隔并开始转换。然而，如果在第二个写信号脉冲时将控制寄存器的ACQMOD位置1，则将开始又一个采集间隔。
　　在第一个写信号脉冲和第二个写信号脉冲时，控制寄存器中的模拟通道选择位必须置相同的值。电源关断模式控制位可以置不同的值。
    （3）电源关断模式
　　为节省能源，MAX197可以在两次转换之间工作于低电流关断模式。有两种电源关断模式供选择，通过控制寄存器的PD1、PD0位，可以选择STBYPD（待机）模式或FULLPD（全关断）模式。当STBYPD关断模式被设置后，只有在转换结束后才生效。在STBYPD模式下，芯片在第一个写信号的下降沿返回正常状态。
　　当FULLPD关断模式被设置且SHDN端变为低电平时，芯片处于硬件全关断状态（FULLPD），此时将马上中止转换。
　　这里须强调的是，在不同的关断模式下，芯片由关断到恢复正常状态时的过渡过程是不一样的。软件设计时，必须充分考虑到这一特点。
　　在STBYPD模式时，带隙参考源和参考源放大电路仍然保持工作，REF上的电压将不受模式转换的影响。因此，可以在这种模式时选择任何采样速率而不用考虑恢复正常状态时的延迟。即在两次转换之间选用STBYPD关断模式时，不用考虑过渡时间。
　　然而，在FULLPD模式下，只有带隙参考源在工作，芯片由关断到恢复正常状态时存在一个过渡过程。为了减小过渡过程的影响，应在REF与AGND之间接入一个33pF的电容。
    （4）转换结果的读取
　　输出数据采用无符号二进制模式（单极性输入方式）或二进制补码形式（双极性输入方式）。当CS和RD都有效时，HBEN为低电平，低8位数据被读
出，HBEN为高电平，复用的高4位被读出，另外4位保持低电平（在单极性方式下），或另外4位为符号位（在双极性方式下）。
　　当转换结束并且结果有效时，转换完成中断信号端INT发出一个低电平信号，当读信号结束或一个新的控制字节被写入时，INT端重新变为高电平。
　　在转换期间写入一个新的控制字节将导致转换中止并开始一个新的采集间隔。

4　在电网谐波分析仪中的应用

　　电网谐波分析需要采集的数据包括三相线路的电压、电流及零序电流共七个量（对于每条输电线路），MAX197的多通道输入、较高的分辨率、适中的转换速率以及可双极性输入等特点非常适于电网谐波分析的数据采集。
　　我们研制的电网谐波分析仪，采用了MAX197与80C196KC单片机负责前台的数据采集和传输工作。其接口示意图如图3所示。

　　为了减小读取MAX197低8位和高4位数据的转换时间，我们在接口电路上采取了一定的技巧，即把HBEN（复用控制）信号与CS（片选）信号都接入由GAL芯片组成的译码电路，这样，对于80C196KC单片机而言，读取MAX197低8位和高4位数据时，对应的硬件地址是不同的，从而不需要在采集软件中对HBEN信号进行专门的控制。
　　由于MAX197采用了比较特殊的采集控制方式，要想充分发挥最高100ksps的通过速率并可靠地读取AD转换结果，必须非常小心地设计数据采集软件，这里要强调以下几点：
　　（1）AD转换结果的读取控制。当AD转换结束并且结果有效时，MAX197的INT端变为低电平直至数据被读取。根据INT信号处理方式的不同，转换结果的读取一般可以采用中断方式或查询方式。在80C196KC单片机中，中断的最小调用时间为21个状态周期，显然采用查询方式处理INT信号的效率要高于中断方式。

　　（2）AD转换结果的读取时机。我们在设计时采用的是MAX197的内部采集控制模式，这一模　　式的AD转换启动是在对MAX197进行写操作（写控制寄存器）后6个时钟周期，MAX197的最小AD转换时间为12个时钟周期，即在写操作后直至INT信号变为低电平，至少有18个时钟周期，当采用2MHz时钟时，这一时间为9μs，即72个80C196KC单片机状态周期（采用16M晶振），这段时间足以读取上次AD转换的结果（此时仍然有效）。读取完成后再进行查询INT信号的操作。这样可以充分利用两次AD转换完成之间的时间间隔，而不必一味地查询等待。
　　综上，一个典型AD转换的控制与读取程序流程（不含初次转换和最后一次转换的判断）见图4。
　　按照上面的方法，我们在谐波分析仪的数据采集中做到了在一个工频周期（20ms）内对每路信号采样64个点，7路信号共采样448个点。实际上，这一采样速率还可进一步提高。

参考文献

1　孙涵芳．Intel16位单片机．北京：北京航空航天大学出版社，1995