選擇MAXQ2000微控制器和MAX1132 ADC接口的SPI時鐘模式

要：MAXQ2000可采用不同的時鐘模式與MAX1132接口，包括8位、16位或兩者組合。本應用筆記說明了如何選擇SPI™時鐘模式，以優化MAX1132性能。該應用筆記包含了完整的原理圖、微控制器固件以及C程序例程，程序在用于MAXQ®的IAR Embedded Workbench®環境中編寫并編譯。

MAX1132說明

MAX1132為200ksps、16位ADC。MAXQ2000可采用不同的時鐘模式與MAX1132接口：包括8位、16位或兩者組合。為使ADC性能最優，在開發的初始階段決定采采用何種模式非常重要。顯然，每幀包括16個時鐘周期的16位ADC應采用16位模式；然而，在ADC采用每幀包括24個時鐘周期的特定情況下，必須仔細評估SPI時鐘模式。本應用筆記提供了采用8位、16為及兩者組合模式的測試結果，根據結果可以看出在MAX1132采用24時鐘幀格式時，使用組合模式可獲得最佳性能。

硬件說明

該應用電路采用MAX1132評估板和MAXQ2000評估板實現。

圖1所示為MAX1132評估板原理圖，圖2給出了系統的配置圖。為連接MAX1132評估板與MAXQ2000評估板，將MAX1132評估板上的SCLK、/CS、DOUT和DIN引腳連接至MAXQ2000評估板，如圖2所示。另外，在評估板上的AV_DD和AGND端口接入一個+5V電源。評估板的JU1的必須安裝在1–2 (ON)位置。在JU2上連接最高+12V的模擬信號，其它跳線開路。為保證系統正常工作，MAXQ2000評估板的SW3必須關閉。


圖1. MAX1132評估板原理圖


圖2. 用于評估不同SPI時鐘模式的硬件系統框圖。

分析

最簡單、最靈活的SPI時鐘模式是8位模式，因為3個字節非常適合24時鐘幀格式，而MAX1132正好需要24個時鐘完成數據幀的傳輸。發送至從機的最高字節用作控制字(0x80)。其中最高位通知從機開始轉換，因此非常重要(控制字格式請參考MAX1132數據資料)。兩個低字節是從ADC接收到的數據。理想情況下，MAXQ2000的SPI串口時鐘工作在4MHz，ADC的最高采樣速率應可達到166.67ksps左右。表1所示為分配給每路ADC信號的示波器通道。

表1. 示波器通道分配

Channel	Signal
1	CS-bar
2	SCLK
3	DIN
4	DOUT

在8位模式下，MAX1132的采樣速率約為63.7ksps。該速率低于所要求采樣速率，因為串行時鐘包括下述延遲：SCLK變高時/CS拉低，一組時鐘轉變到下一組時鐘，/CS變高時SCLK拉低，以及在另一次采用開始之前/CS保持高電平(圖3)。


圖3. 8位模式下采樣示例

當SPI時鐘為16位模式時，需要兩組16個時鐘(總共32個時鐘)。第一個16個時鐘的高字節為微控制器發出的控制字，接下來的字節為從ADC接收到的數據的高字節。在第二個16個時鐘內，數據的低字節是從ADC接收到的。這一幀當中剩余的8個時鐘在傳輸連續數據時必須采用同樣的速率。圖4所示采樣速率為63.7ksps，與8位模式下速率相同。


圖4. 16位模式下采樣示例

更好的方法是首先采用8位SPI模式發送控制字節，然后切換到16位SPI時鐘模式接收從ADC得到的采樣數據(圖5)。這樣做的優點是不用將數據分別分割到不同的時鐘組，并且不會浪費任何時鐘周期。在組合模式下，采樣速率為70.4ksps，高于8位模式和16位模式速率。


圖5. 組合模式下的實例，即采用8位模式發送控制字節，然后采用16位模式接收ADC的采樣數據

上述實例中，采集到的數據可采用表2時間表歸納。組合模式是獲取MAX1132最佳性能的理想選擇。該模式采用最少的時鐘組，單幀時鐘數最少。分別采用8位模式或16位模式時均達不到組合模式的采樣速率。

表2. 不同時鐘模式下，單采樣周期的延時

Interval	Sample Time, 8-Bit Mode	Sample Time, 16-Bit Mode	Sample Time, Combination Mode
CS-bar low to SCLK high	560ns	760ns	960ns
Between 1st and 2nd clock sets	2.32µs	3.20µs	2.36µs
Between 2nd and 3rd clock sets	3.12µs	—	—
SCLK low to CS-bar high	2.52µs	2.60µs	3.60µs
CS-bar high	1.48µs	1.44µs	1.48µs
Clock time (1/SCLK x clocks/frame)	6.0µs	8.0µs	6.0µs
Approximate total for one sample	15.7µs = 63.7ksps	15.7µs = 63.7ksps	14.2µs = 70.4ksps

固件說明

C程序文件(在用于MAXQ的IAR Embedded Workbench環境下編寫并編譯)允許MAXQ2000 SPI接口采用組合模式與MAX1132進行通信。MAXQ2000的系統時鐘為16MHz時，SPI的串行時鐘為4MHz。

IAR Embedded Workbench是IAR Systems AB的注冊商標。
MAXQ是Maxim Integrated Products, Inc.的注冊商標。
SPI是Motorola, Inc.的商標。