1 ADS1210/1211概述
　　ADS1210/1211是高精度、寬動態特性的Δ－Σ型模擬/數字轉換器。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。ADS1210/1211主要用于工業過程控制、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。

?

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。

　　為了提高系統的動態特性，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，從而可以使系統工作在加速模式(Turbo Mode)下。通常情況下，在系統時鐘為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的動態性能大大提高。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，它增加了系統的動態范圍，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來實現的。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來實現的，所以PGA的增益和加速因子(TMR)的乘積應≤16，如表3所示。

　　ADS1210/1211輸出數據的速度可以從幾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據的個數。
　　ADS1210/1211內部還有一個完整的自校正系統，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，也可以自動或連續地進行校準，但必須為ADS1210/1211提供適當的輸入電壓。與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的各種參數如增益、加速因子、模式選擇及寄存器數據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，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產生數字輸出量的頻率，它的倒數為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)是指用于計算數字量輸出而采納的調制器結果的個數。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據進行計算(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，它可以根據輸入信號的大小自動調節增益；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、高分辨率的數字信號輸出，從而實現了電壓的自動測量。
4.1 微處理器簡介
　　ADS1210/1211之所以能實現其獨特的功能，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：上電復位狀態和轉換狀態。在上電復位狀態，微處理器將內部所有的寄存器復位成缺省狀態，將調制器復位成穩定狀態，以850Hz的頻率進行自校準；然后就進入轉換狀態，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)。輸出數據寄存器(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據，校準之后，才能將數據送入數據寄存器(DOR)。這兩個寄存器中的數據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據。
　　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”字節的數據/命令。其具體格式如下：

　　
　　：讀/寫選擇位。若接下來出現的是寫操作，則該位應為“0”；若為讀操作，則為“1”。
　　MB1 MB0：多字節選擇位。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送給INSR指令開始的，它規定了接下來通信的過程，包括讀/寫位、字節數、開始地址等。當“n”字節傳送完畢，INSR的工作就完成了。一個新的通信周期從發送一個新的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、輸出數據的速度(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的最后一位寫入命令寄存器且SCLK出現負跳變時，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。BIAS＝1，V_BIAS為激活狀態，其值為1.33×REF_IN；BIAS＝0，V_BIAS為關閉狀態，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。REFO＝1，內部參考電壓為激活(開)狀態，其值為2.5V；REFO＝0，內部參考電壓為關閉(高阻)狀態。
　　DF：數據格式位。該位用于控制輸出數據的格式。DF＝1，輸出數據為偏移二進制數；DF＝0，輸出數據為二進制補碼數。除最高位之外，兩種格式的數值相同，且兩種格式的最高位正好相反。該位只對輸出數據寄存器DOR有效，對其它寄存器無效。
　　：單極性位。該位用于控制輸出數據的極性。＝0，輸出數據為雙極性；＝1，輸出數據為單極性，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、數據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中的數據，對內部數據沒有影響，對該位清零后，緊接著的轉換結果就為雙極性輸出。
　　BD：字節順序位。該位控制著讀入字節數據的順序。BD＝0，先讀最高字節(MSB)；BD＝1，先讀最低字節(LSB)。在開始進行多字節讀操作時，若BD＝0，則指令寄存器中的A3～A0為最高字節的地址，接下來的字節將位于更高的地址中；若BD＝1，則指令寄存器中的A3～A0為最低字節的地址，接下來的字節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數據時位的讀順序。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：串行數據線的選擇位。該位用來指定ADS1210/1211的哪一個引腳為串行數據的輸出引腳。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。此時，SDOUT一直處于三態狀態。
　　：數據準備就緒位。該位為只讀位，它反映了引腳的狀態。＝0，數據準備就緒；＝1，數據沒有準備好。
　　：數據同步位。該位為只寫位，它與占用同一個口地址。當把“1”寫入時，將使調制器的計數復位至0；當把“0”寫入時，調制器的計數無變化。
　　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，數字濾波器會由于數據不夠或數據過多而引起計算結果的不正確。
4.1.3 輸出數據寄存器(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中的數據被限定為單極性數據。
4.2 ADS1210/1211與單片機的接口
　　根據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。它們是數據準備就緒線、數據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
　　根據設計任務的要求，本系統是一個程控數字電壓表，我們可寫出主程序的流程圖，如圖4所示。具體程序從略。