MAX161/MX7581：CMOS 8 位 8 通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的深度解析

在電子工程師的日常工作中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個(gè)關(guān)鍵的組成部分。今天，我們來詳細(xì)探討 MAX161 和 MX7581 這兩款 CMOS 單芯片 8 位、8 通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）。

文件下載：MAX161ACPI+.pdf

一、產(chǎn)品概述

MAX161 和 MX7581 是高度集成的芯片，每個(gè)芯片都包含一個(gè) 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器、8 通道多路復(fù)用器、帶有競爭邏輯的 8x8 雙端口 RAM 以及與微處理器兼容的 I/O 邏輯。當(dāng)與電壓基準(zhǔn)結(jié)合使用時(shí)，它們能構(gòu)成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可與大多數(shù)微處理器進(jìn)行接口。其中，MAX161 是 MX7581 的增強(qiáng)型，引腳兼容，具有更快的轉(zhuǎn)換和接口時(shí)序、更低的零誤差和漂移、更低的功耗，并且有軍溫級(jí)產(chǎn)品可供選擇。

二、產(chǎn)品特性

2.1 快速轉(zhuǎn)換時(shí)間

MAX161 的轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為 20μs，能夠快速完成數(shù)據(jù)采集，滿足高速應(yīng)用的需求。

2.2 全溫?zé)o漏碼

在不同的溫度環(huán)境下，都能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，不會(huì)出現(xiàn)漏碼的情況。

2.3 片上 8x8 雙端口 RAM

方便數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取，可在微處理器的控制下隨時(shí)讀取任何通道的數(shù)據(jù)。

2.4 直接接口能力

能夠直接與 Z80/8085/6800 等微處理器進(jìn)行接口，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.5 比例測(cè)量能力

具備比例測(cè)量功能，可提高測(cè)量的精度。

2.6 交錯(cuò) DMA 操作

通過內(nèi)部邏輯實(shí)現(xiàn)自動(dòng)交錯(cuò) DMA 操作，確保在微處理器訪問內(nèi)存時(shí)不會(huì)發(fā)生內(nèi)存更新沖突。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

• 數(shù)字信號(hào)處理：在信號(hào)處理過程中，快速準(zhǔn)確地采集數(shù)據(jù)，為后續(xù)的信號(hào)分析和處理提供支持。
• 數(shù)據(jù)記錄器：用于記錄各種數(shù)據(jù)，如工業(yè)生產(chǎn)中的過程數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。
• 自動(dòng)測(cè)試設(shè)備：實(shí)現(xiàn)對(duì)各種設(shè)備的自動(dòng)測(cè)試，提高測(cè)試效率和準(zhǔn)確性。
• 機(jī)器人：為機(jī)器人提供環(huán)境感知和數(shù)據(jù)采集功能，使機(jī)器人能夠更好地適應(yīng)環(huán)境。
• 過程控制：在工業(yè)生產(chǎn)過程中，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的精確控制。

四、電氣特性

4.1 精度

分辨率為 8 位，相對(duì)精度可達(dá) ±1% LSB，不同型號(hào)的芯片在差分非線性、偏移誤差和增益誤差等方面有所差異，但都可調(diào)整到零。

4.2 模擬輸入

輸入電阻在 10 - 30kΩ 之間，參考電壓范圍為 -5V 至 -15V，標(biāo)稱模擬輸入范圍在不同模式下有所不同，如單極性模式（0 至 +10V 或 0 至 -10V）和雙極性模式（-5V 至 +5V）。

4.3 數(shù)字輸入輸出

數(shù)字輸入的邏輯高閾值為 +2.4V，邏輯低閾值為 +0.8V，輸入電容為 4 - 5pF；數(shù)字輸出的高電壓為 4.5 - 4.8V，低電壓為 0.2 - 0.6V。

4.4 電源要求

電源電壓為 +4.5 - +5.5V，靜態(tài)電流為 3 - 5mA，MAX161 在動(dòng)態(tài)（時(shí)鐘頻率為 4.0MHz）時(shí)的電流為 5mA，MX7581 在動(dòng)態(tài)（時(shí)鐘頻率為 1.2MHz）時(shí)的電流為 8mA。

五、時(shí)序特性

5.1 MAX161

ALE 脈沖寬度為 50 - 35ns，地址有效到鎖存建立時(shí)間為 45 - 30ns，地址有效到鎖存保持時(shí)間為 10 - 0ns，地址鎖存到 CS 建立時(shí)間為 10ns，CS 到輸出傳播延遲為 0 - 200ns，CS 脈沖寬度為 250 - 175ns，CS 到輸出浮空傳播延遲為 30 - 50ns，CS 到低阻抗總線時(shí)間為 70 - 100ns，時(shí)鐘頻率為 4.0MHz。

5.2 MX7581

ALE 脈沖寬度為 80 - 50ns，地址有效到鎖存建立時(shí)間為 70 - 45ns，地址有效到鎖存保持時(shí)間為 20 - 10ns，地址鎖存到 CS 建立時(shí)間為 20 - 10ns，CS 到輸出傳播延遲為 200 - 250ns，CS 脈沖寬度為 280 - 250ns，CS 到輸出浮空傳播延遲為 50 - 80ns，CS 到低阻抗總線時(shí)間為 100 - 150ns，時(shí)鐘頻率為 1.6 - 12MHz。

六、詳細(xì)操作說明

6.1 基本操作

MAX161 和 MX7581 會(huì)順序?qū)?8 個(gè)輸入通道的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為 8 位數(shù)據(jù)字，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 RAM 中。轉(zhuǎn)換過程可由微處理器時(shí)鐘或控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)，用戶可直接從 RAM 中讀取輸出數(shù)據(jù)。

6.2 A/D 轉(zhuǎn)換

內(nèi)部轉(zhuǎn)換過程分為 10 個(gè)階段，每個(gè)階段為 8 個(gè)時(shí)鐘周期。在第一階段，輸入多路復(fù)用器遞減，控制邏輯復(fù)位；在第 2 至 9 階段進(jìn)行逐次逼近 A/D 轉(zhuǎn)換；最后在第 10 階段將數(shù)據(jù)加載到 RAM 中。單通道轉(zhuǎn)換需要 80 個(gè)輸入時(shí)鐘周期，全通道掃描需要 640 個(gè)時(shí)鐘周期。上電后，內(nèi)部啟動(dòng)邏輯會(huì)在 800 個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)初始化轉(zhuǎn)換器。

6.3 數(shù)字接口

6.3.1 通道選擇

通過 A0 - A2 地址線選擇 RAM 位置，在復(fù)用地址/數(shù)據(jù)總線的系統(tǒng)中，地址由 ALE 鎖存；當(dāng)?shù)刂泛蛿?shù)據(jù)總線分開時(shí)，可將 ALE 置高使地址鎖存透明。

6.3.2 時(shí)序和控制

當(dāng) CS 為高電平時(shí)，三態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器處于高阻抗?fàn)顟B(tài)；當(dāng) CS 為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)器切換到活動(dòng)狀態(tài)，輸出數(shù)據(jù)在 tAcc 時(shí)間后有效。

6.3.3 數(shù)據(jù)讀取操作

芯片會(huì)持續(xù)掃描和轉(zhuǎn)換模擬輸入信號(hào)，片上 RAM 和競爭邏輯允許數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)換過程異步讀取。輸出數(shù)據(jù)為所選通道的最新轉(zhuǎn)換結(jié)果。內(nèi)部邏輯提供自動(dòng)交錯(cuò) DMA 操作，確保在微處理器訪問內(nèi)存時(shí)不會(huì)發(fā)生內(nèi)存更新沖突。

6.3.4 通道識(shí)別

在某些實(shí)時(shí)應(yīng)用中，可能需要在特定通道數(shù)據(jù)更新時(shí)提供中斷信號(hào)?？赏ㄟ^ STAT 信號(hào)在通道 0 轉(zhuǎn)換時(shí)保持低電平 72 個(gè)時(shí)鐘周期來識(shí)別當(dāng)前轉(zhuǎn)換的通道，也可使用微處理器定期查詢 STAT 輸出。

七、操作電路

7.1 單極性二進(jìn)制操作

適用于 0 至 +10V 輸入，通過調(diào)整偏移和滿量程來校準(zhǔn)。偏移調(diào)整使用雙極性偏移引腳 Bos，滿量程調(diào)整時(shí)，將 +9.941V 施加到所有輸入，選擇通道并調(diào)整微調(diào)電阻 RN 使 DB7 - DB1 為高電平，DB0（LSB）閃爍。

7.2 單極性（補(bǔ)碼二進(jìn)制）操作

適用于 0 至 -10V 輸入，校準(zhǔn)方法與單極性二進(jìn)制操作類似，但輸入電壓和調(diào)整參數(shù)不同。

7.3 雙極性（偏移二進(jìn)制）操作

適用于 ±5V 輸入，校準(zhǔn)過程包括偏移調(diào)整和滿量程調(diào)整，偏移調(diào)整時(shí)將 AINO 設(shè)為 -4.980V，調(diào)整 R11 使 DB1 - DB7 為低電平，DB0（LSB）閃爍；滿量程調(diào)整時(shí)將 +4.941V 施加到所有通道，調(diào)整微調(diào)電阻 RN 使 DB1 - DB7 為高電平，DB0（LSB）閃爍。

八、應(yīng)用提示

8.1 模擬和數(shù)字接地

AGND 和 DGND 應(yīng)在設(shè)備處連接在一起，以防止噪聲注入 A/D 轉(zhuǎn)換器。在非本地連接的系統(tǒng)中，可在 AGND 和 DGND 引腳之間連接鉗位二極管。VDD 應(yīng)使用 10μF 電解電容和 0.1μF 陶瓷電容旁路到 AGND，并盡量縮短引線長度。

8.2 邏輯去毛刺

地址總線上的未指定狀態(tài)可能會(huì)導(dǎo)致 CS 引腳出現(xiàn)毛刺，引發(fā)不必要的讀取操作?？赏ㄟ^適當(dāng)?shù)?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/167/" target="_blank">電路設(shè)計(jì)來消除這些毛刺。

九、訂購信息

MAX161 和 MX7581 有多種溫度范圍和封裝可供選擇，包括塑料 DIP、小外形封裝（SO）、陶瓷封裝等，不同型號(hào)的誤差也有所不同。

總之，MAX161 和 MX7581 是功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片，在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。電子工程師在設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)具體需求選擇合適的型號(hào)和封裝，并注意操作電路的校準(zhǔn)和應(yīng)用提示，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。