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可编程多路A/D转换芯片THS1206的原理及应用 摘要：THS1206是TI公司推出的可编程、多通道、低功耗、内置FIFO的12位并行高速A/D转换芯片。文章主要介绍了THS1206的主要特点、引脚功能、内部结构以及控制寄存器的功能和位定义。给出了以THS1206和DSP(TMS320C542)为核心构成的多路数据采集系统的设计方案。 关键词：可编程；多通道；高速；FIFO １ 概述 ＴＨＳ１２０６有４个模拟信号输入端，每个输入端既可作为４个单独的非极性信号的输入通道，也可作为２个差分信号输入通道，而且两种方式可同时混合使用，具体的输入通道模式可由内部控制寄存器控制。ＴＨＳ１２０６采用５Ｖ单电源供电，内置的１６字深度环形ＦＩＦＯ可存储多次连续采集的数据，从而避免每次采集数据都要读取。且在采集多次数据之后才通知ＣＰＵ读取数据，减少了ＣＰＵ读取数据的中断次数，提高了系统的实时性。ＴＨＳ１２０６既可采用内部标准电压，也可采用外部输入标准电压，并可由内部寄存器控制。 图１为其引脚图，各引脚定义如下： ＡＩＮＰ、ＡＩＮＭ、ＢＩＮＰ、ＢＩＮＭ：模拟输入通道，这四个引脚既可用做４个单独的非极性模拟输入信号，也可作为差分输入通道Ａ和Ｂ的正负模拟信号输入端。 ＡＶＤＤ、ＡＧＮＤ：ＡＤＣ模拟电压和模拟地。 ＢＶＤＤ、ＢＧＮＤ：ＦＩＦＯ的数字电压和数字地。 ＤＶＤＤ、ＤＧＮＤ：ＡＤＣ数字电压和数字地。 ＣＯＮＶ ＣＬＫＣＯＮＶＳＴ：启动转换信号输入端。 ＣＳ０、ＣＳ１：片选信号，低电平有效。 ＤＡＴＡ ＡＶ：ＡＤ转换结束信号，数据输出有效。 Ｄ０～Ｄ９：十位双向数据线。 Ｄ１０／ＲＡ０：既可作为数据线Ｄ１０,也可作为内部控制寄存器的地址线ＲＡ０。 Ｄ１１／ＲＡ１：既可作为数据线Ｄ１１,也可作为内部控制寄存器的地址线ＲＡ１。 ＲＥＦＯＵＴ：２．５Ｖ参考电压输出。 ＲＥＦＩＮ：共模输入参考电压，作为ＡＤ转换的标准参考电压，可直接将此引脚接至ＲＥＦＯＵＴ引脚以输入２．５Ｖ标准电压。 ＲＥＦＰ、ＲＥＦＭ：外部输入参考电压的正负极接入。 ＲＤ、ＷＲ(Ｒ／Ｗ)：读写控制信号。 ２．１ 内部结构 ＴＨＳ１２０６内部由采样保持器、逻辑控制单元、控制寄存器、ＦＩＦＯ、参考电压控制单元等部分组成。其内部功能框图如图２所示。 ＴＨＳ１２０６有４路采样保持器，可同时对４路信号进行采样保持，并按顺序依次对各通道的采样保持值进行转换。ＴＨＳ１２０６单个通道的最高采样频率可达６ＭＳＰＳ。同时采样多个通道的模拟信号时，其采样频率与输入信号的通道数有关。多通道采样信号的采样频率与模拟信号的输入通道数成反比。 ２．２ 内部控制寄存器 ＴＨＳ１２０６内置２个控制寄存器（ＣＲ１和ＣＲ０），通过向内部控制寄存器写入特定的控制命令可设定ＡＤＣ的具体工作状态。Ｄ１１／ＲＡ１和Ｄ１０／ＲＡ０两个输入引脚可作为内部控制寄存器的地址线，通过输入来选择控制寄存器ＣＲ０或ＣＲ１。 ＣＲ０各位定义如下：
ＴＥＳＴ１、ＴＥＳＴ０：启用测试功能，用于选择ＡＤＣ 的测试电压。ＴＨＳ１２０６有ＶＲＥＦＰ、（ＶＲＥＦＭ＋ＶＲＥＦＰ／２、ＶＲＥＦＭ 三个测试电压，通过测试３个不同电压下的ＡＤ转换值来检查ＡＤ与ＣＰＵ的连接是否良好，并测试ＡＤ是否正常工作。ＴＨＳ１２０６处于测试模式时，ＤＡＴＡ ＡＶ输出无效。ＴＨＳ１２０６从测试模式返回正常工作模式后，必须重新初始化。 ＳＣＡＮ：自动扫描模式。就是在有多个模拟信号输入时，ＡＤＣ同时采样各信号并同时保持各通道采样值，然后依次对扫描的各采样值进行ＡＤ转换。多通道输入模拟信号时都采用自动扫描模式。ＳＣＡＮ为１，禁止自动扫描模式，ＳＣＡＮ为０启用自动扫描模式。 ＤＩＦＦ１、ＤＩＦＦ０：定义差分模拟信号输入的通道数。 ＣＨＳＥＬ１、ＣＨＳＥＬ０：定义ＡＤＣ所有模拟信号输入的通道数。 ＰＤ：节电模式选择，ＰＤ＝‘１’ ＡＤＣ处于正常工作状态，ＰＤ＝‘０’，ＡＤＣ处于节电模式。 ＭＯＤＥ：转换模式选择，ＭＯＤＥ ＝‘０’，ＡＤＣ处于连续转换模式；ＭＯＤＥ＝‘１’ＡＤＣ采用独立的转换模式。 ＶＦＥＦ：参考电压选择，ＶＦＥＦ＝‘０’，选择内部参考电压；ＶＦＥＦ＝‘１’，选择外部参考电压。 控制寄存器ＣＲ１的各位定义如下：
ＲＢＡＣＫ：调试模式 ，ＰＢＡＣＫ＝‘０’，ＡＤＣ处于正常工作状态，ＰＢＡＣＫ＝‘１’，ＡＤＣ处于调试状态。当ＡＤＣ处于调试状态时，可依次读取内部控制寄存器ＣＲ１和ＣＲ０的值。 ＯＦＦＳＥＴ：零偏移补偿模式，ＯＦＦＳＥＴ＝‘０’，ＡＤＣ处于正常工作状态；ＯＦＦＳＥＴ＝‘１’，ＡＤＣ处于校准补偿模式。ＡＤＣ采用零偏移补偿模式时，输入模拟信号置为零电平并进行转换转换值（即零偏移补偿值）存入内部补偿寄存器；而当ＡＤＣ正常工作时，其转换数值减去零偏移值以得到校正后的ＡＤ转换值。通过零偏移补偿有利于提高信号采集的准确度。 ＢＩＮ／２ｓ：输出数据表示模式，ＢＩＮ／２ｓ＝‘０’，输出数据以补码形式表示；ＢＩＮ／２ｓ＝‘１’，输出数据以二进制码表示。 Ｒ／ Ｗ：读写选择，Ｒ／ Ｗ为１时，ＷＲ为读写信号，ＲＤ输入引脚禁止。Ｒ／ Ｗ为０时，ＲＤ输入引脚为读信号，ＷＲ输入引脚为写信号。 ＤＡＴＡ Ｐ：ＤＡＴＡ ＡＶ极性控制，ＤＡＴＡ Ｐ为１时，高电平有效，ＤＡＴＡ Ｐ为０时，低电平有效。 ＤＡＴＡ Ｔ：ＤＡＴＡ ＡＶ输出方式控制，ＤＡＴＡ Ｔ为０时，ＤＡＴＡ ＡＶ为电平触发；ＤＡＴＡ Ｔ为１时，ＤＡＴＡ ＡＶ为边沿触发。 ＴＲＩＧ１、ＴＲＩＧ０：设置ＦＩＦＯ触发门限，通过ＴＲＩＧ１和ＴＲＩＧ０ 设置不同输入通道时ＦＩＦＯ的触发门限。 ＯＶＦＬ／ＦＲＳＴ：读写显示信号，当作为读信号ＯＶＦＬ时，显示ＦＩＦＯ的溢出状态，ＯＶＦＬ为１时， 表示ＦＩＦＯ 没有溢出，ＯＶＦＬ为０时，ＦＩＦＯ溢出。当作为写信号ＦＲＳＴ时，复位ＦＩＦＯ，对ＦＲＳＴ写入１可复位ＦＩＦＯ。 ＲＥＳＥＴ：复位信号，对该位写１，将对内部控制寄存器ＣＲ１、ＣＲ０设置复位值，同时也对ＦＩＦＯ和补偿寄存器复位。 应当注意的是，在ＡＤＣ正常工作前，必须对其内部控制寄存器初始化，并设定其具体的工作模式。初始化的流程如图３所示。 ２．３ ＦＩＦＯ的使用 ＴＨＳ１２０６内置一个灵活的环形ＦＩＦＯ，ＡＤ转换数据可直接写入ＦＩＦＯ最多可存入１６个字。使用内部ＦＩＦＯ 时，ＡＤＣ无需每采样一次都产生中断，因而可减少微处理器读取采样数据的中断次数。为了控制ＦＩＦＯ的读写，ＦＩＦＯ用其设置的读指针来指示下一读取数据的位置而用内置的写指针来指示最后一次采样数据放置的位置。若有多个模拟信号输入，各个通道的转换值依次写入ＦＩＦＯ中。通过内部寄存器控制ＦＩＦＯ的触发门限，触发门限设定存入采样数据的深度，存入数据达到此深度时，ＤＡＴＡ ＡＶ有效。 ２．４ ＡＤ转换 ＴＨＳ１２０６通过内部控制寄存器来设置ＡＤＣ的转换模式是单独转换模式，还是连续转换模式。单独转换模式时，启动内部振荡电路产生内部时钟。在外部输入ＣＯＮＶＳＴ的下降沿触发ＡＤＣ采样，并保持各模拟输入信号，同时依次对各信号进行转换并存入ＦＩ-ＦＯ。ＡＤ转换开始到ＤＡＴＡ ＡＶ有效的时间段为转换时间，转换时间大小为ＡＤＣ内部振荡器产生的内部时钟和ＦＩＦＯ触发门限的乘积。当转换时间达到ＦＩＦＯ的触发门限时间时，数据存入ＦＩＦＯ，此时，ＤＡＴＡ ＡＶ输出有效，以通知微处理器读取数据。输入不同模拟信号通道时，ＦＩＦＯ的触发门限不同，通过内部控制寄存器ＣＲ１中的控制位ＴＲＩＧ１、ＴＲＩＧ０可设定具体的ＦＩＦＯ触发门限。相邻ＣＯＮＶＳＴ的输入时间应足够长，以保证ＡＤＣ在此时间内完成ＡＤ转换。 ＡＤＣ处于连续转换模式时，内部振荡电路关闭。外部时钟信号可输入ＣＯＮＶ ＣＬＫ引脚，并在ＣＯＮＶ ＣＬＫ的上升沿触发ＡＤ转换，以便ＡＤＣ依次采集保持各输入信号。转换时间为外部输入时钟信号和ＦＩＦＯ触发门限的乘积。经过触发门限时间后，其转换值存入ＦＩＦＯ，ＤＡＴＡ ＡＶ有效，以通知ＣＰＵ读取数据。此时ＣＰＵ读取的数据为一段ＡＤ采集数据，数据个数等于触发门限值。 ３ 采集系统构成 利用ＴＨＳ１２０６和ＴＭＳ３２０Ｃ５４２构成的数据采集系统如图４所示，ＡＤＣ作为ＤＳＰ的Ｉ／Ｏ存储空间。通过设定控制寄存器使ＡＤＣ处于连续转换模式，ＤＳＰ的缓存串口输出时钟作为ＡＤＣ的输入时钟，并用其上升沿触发ＡＤＣ转换。ＤＡＴＡ ＡＶ连接ＴＭＳ３２０Ｃ５４２的外部中断引脚，ＡＤＣ转换数据存入ＦＩＦＯ，在溢出时发出中断，然后由ＤＳＰ响应中断并读取Ｉ／Ｏ空间即ＦＩＦＯ的数据。
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