AD7891采集多路模拟量的时序控制

张涛

摘要

AD7891是一种多通道模拟数据采集系统，在多路模拟量的实际采集中，由于对通道切换和启动转换时序控制不严格，经常会出现数据错误。本文介绍了AD7891芯片的功能特点和使用方法，并以AD7891-1与某DSP的并行接口应用为例，详细描述了在通道切换和启动转换之间的时序控制。

【关键词】模拟数据采集 时序控制 AD7891

1 概述

AD7891是美国ADI公司推出的一款12位数据采集系统（DAS），具有并行和串行两种工作模式，内置输入多路复用器、采样保持放大器、12位高速ADC、+2.5V基准源和高速接口电路，并具有8个带过压保护的模拟信号输入通道，工作电压为+5V，工作温度为-40℃～+85℃，采用单电源供电，功耗低，可接受多种输入信号范围：AD7891-1（±5V和±10V）及AD7891-2（0V至+2.5V、0V至+5V和±2.5V），采用44针的PLCC和PQFP两种封装。

AD7891通过MODE引脚来选择并行或串行工作模式，无论哪种模式，均能提供标准控制输入及快速数据访问时间特性，模数转换时间为1.6us。

2发问题描述

基于某DSP的产品通过AD7891-1采集多路模拟电压信号，DSP与AD7891-1采用并行接口连接电路，在进行低温工作测试时，出现采集数据跳变的故障现象，问题定位为DSP中AD采集软件模块对AD7891芯片的使用方法不当。

3 机理分析

3.1 转换控制和通道选择

AD7891可以使用硬件和软件两种方法控制转换开始，硬件方法控制转换开始通过设置CONVST端的输入，当输入为负脉冲时，在脉冲上升沿片内的跟踪/保持器从跟踪模式转为保持模式并开始进行转换操作;软件方法控制转换开始通过设置控制寄存器的SWCONV位，写入“1”时，AD7891内部将产生一个脉冲信号来控制跟踪/保持的起始点以及启动转换序列，当内部脉冲信号超时转换结束。

AD7891有一个6位控制寄存器。寄存器各位分别控制芯片模拟信号输入通道的选择、模拟转换的开始、待机工作模式选择和输出数据格式，可以通过并行写操作或串行写操作将控制字写入控制寄存器。在芯片刚接通电源时，控制寄存器各位的初始状态均为0。格式为：

MSB

其中A2、A1、A0为地址输入端，用来选择多路选择器的模拟信号输入通道，A2为最高有效位。通道数N可由公式N=4A2+2A1+A0+1计算确定。

SWCONV为软件模数转换开始位。写入“1”时，模数转换开始。

SWSTBY为待机模式输入位。写入“1”时，芯片待机模式;写入“0”时，芯片正常工作。

FORMAI为数据格式位。写入“0”，输出数据格式为二进制原码;写入“1”，输出数据格式为二进制补码。

3.2 采集流程

本文以软件方法控制转换开始为例，通过向AD7891寄存器写控制指令实现对电压数据的采集，内部工作流程如下：

（1）AD7891芯片通过并行接口接收到通道设置的指令，通过地址编码单元控制多路开关选择设定的采集通道;

（2）通道选通后，AD7891内部的跟踪/保持放大电路单元，对该通道输入的电压信号进行跟踪保持;

（3）启动AD转换，通过电路积分和比较，完成模拟信号到数字信号的转换;

（4）转换完成后，AD7891EOC端输出脉宽为80ns的负脉冲，DSP读取转换结果;

（5）芯片又重新进入跟踪模式，跟踪/保持器开始进行下一次的数据采集，在转换期间和转换结束100ns之前，DSP不能进行读数据操作。

3.3 原因分析

采样保持获取时间用于让跟踪/保持放大器输出的采样值更接近于真实值。转换结束后，当出现选择通道切换或者输入到被选择的VIN引脚的电压发生较大变化时，这段时间被用来进行输入稳定。这就意味着在操作芯片时，用户必须在转换完成后插入一个等待周期用于下一次采集信号的跟踪/保持。当采集通道发生变化或者输入的電压发生较大的变化时，也需要在开始转换之前插入一个等待周期。这样做可以保证芯片访问操作的规范性和数据采集的正确性。

在现有的软件设计中没有在数据读取和通道切换等操作步骤之间插入等待时间，这就有可能出现在通道切换后，片内的跟踪/保持放大器采集到的输入电压还没有完全变化到真实值的时候就开始启动了AD转换，造成采集电压有误差。

在通道切换之后AD7891输入跟踪保持放大器的输出电压信号由之前保持的电压（上一AD通道）变为的当前选通的通道电压，该转换也需要一定的时间，所需时间与两个通道之间的电压幅值差异有关，同时也会受到温度的影响，对于不同的信号处理器，该时间也存在微小差异。

因此在软件设计中应考虑该通道切换所需时间，留出足够的时间（T_track-hold）来保证通道切换完成。

软启动方式时，该通道切换和跟踪保持的时间由芯片内部时序控制，该时间为0.7μs，当通道切换时实际所需的时间T_track-hold超出0.7μs，启动转换时放大器端的电压并未完全变为当前通道的电压，导致AD转换结果不准确。

4 改进措施

对AD7891采集软件模块进行改进，在切换采集通道和开始启动转换之间插入lus的等待周期;当AD采集完成后，DSP在读取完转换数据后再等待1us开始切换通道进行下一次转换。

5 结语

文中以AD7891-1与某数字信号器的并行接口连接电路为例，在多路模拟量的实际采集中，通过软启动方式控制转换开始，详细分析了在通道切换和启动转换之间的时序控制。

参考文献

[1]Ana10G Devices Inc，LC2MOS 8-Channel，12-Bit High Speed Data AcquisitionSystem.DataSheet，2004.

[2]AD7891 PDF芯片资料.

[3]张芳.基于单片机的AD7891高速数据采集原理与应用[S].陕西黄河集团有限公司设计所，2012.