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)是一個關(guān)鍵的組成部分。今天，我們來詳細探討 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）。

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一、產(chǎn)品概述

MAX161 和 MX7581 是高度集成的芯片，每個芯片都包含一個 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。當與電壓基準結(jié)合使用時，它們能構(gòu)成一個完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可與大多數(shù)微處理器進行接口。其中，MAX161 是 MX7581 的增強型，引腳兼容，具有更快的轉(zhuǎn)換和接口時序、更低的零誤差和漂移、更低的功耗，并且有軍溫級產(chǎn)品可供選擇。

二、產(chǎn)品特性

2.1 快速轉(zhuǎn)換時間

MAX161 的轉(zhuǎn)換時間僅為 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 全溫無漏碼

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

2.3 片上 8x8 雙端口 RAM

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

2.4 直接接口能力

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

2.5 比例測量能力

具備比例測量功能，可提高測量的精度。

2.6 交錯 DMA 操作

通過內(nèi)部邏輯實現(xiàn)自動交錯 DMA 操作，確保在微處理器訪問內(nèi)存時不會發(fā)生內(nèi)存更新沖突。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

• 數(shù)字信號處理：在信號處理過程中，快速準確地采集數(shù)據(jù)，為后續(xù)的信號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)測數(shù)據(jù)等。
• 自動測試設(shè)備：實現(xiàn)對各種設(shè)備的自動測試，提高測試效率和準確性。
• 機器人：為機器人提供環(huán)境感知和數(shù)據(jù)采集功能，使機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，實時采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的精確控制。

四、電氣特性

4.1 精度

分辨率為 8 位，相對精度可達 ±1% LSB，不同型號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 在動態(tài)（時鐘頻率為 4.0MHz）時的電流為 5mA，MX7581 在動態(tài)（時鐘頻率為 1.2MHz）時的電流為 8mA。

五、時序特性

5.1 MAX161

ALE 脈沖寬度為 50 - 35ns，地址有效到鎖存建立時間為 45 - 30ns，地址有效到鎖存保持時間為 10 - 0ns，地址鎖存到 CS 建立時間為 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 到低阻抗總線時間為 70 - 100ns，時鐘頻率為 4.0MHz。

5.2 MX7581

ALE 脈沖寬度為 80 - 50ns，地址有效到鎖存建立時間為 70 - 45ns，地址有效到鎖存保持時間為 20 - 10ns，地址鎖存到 CS 建立時間為 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 到低阻抗總線時間為 100 - 150ns，時鐘頻率為 1.6 - 12MHz。

六、詳細操作說明

6.1 基本操作

MAX161 和 MX7581 會順序?qū)?8 個輸入通道的模擬信號轉(zhuǎn)換為 8 位數(shù)據(jù)字，并將數(shù)據(jù)存儲在 RAM 中。轉(zhuǎn)換過程可由微處理器時鐘或控制信號驅(qū)動，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 個階段，每個階段為 8 個時鐘周期。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 個輸入時鐘周期，全通道掃描需要 640 個時鐘周期。上電后，內(nèi)部啟動邏輯會在 800 個時鐘周期內(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?shù)刂泛蛿?shù)據(jù)總線分開時，可將 ALE 置高使地址鎖存透明。

6.3.2 時序和控制

當 CS 為高電平時，三態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動器處于高阻抗狀態(tài)；當 CS 為低電平時，驅(qū)動器切換到活動狀態(tài)，輸出數(shù)據(jù)在 tAcc 時間后有效。

6.3.3 數(shù)據(jù)讀取操作

芯片會持續(xù)掃描和轉(zhuǎn)換模擬輸入信號，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)部邏輯提供自動交錯 DMA 操作，確保在微處理器訪問內(nèi)存時不會發(fā)生內(nèi)存更新沖突。

6.3.4 通道識別

在某些實時應(yīng)用中，可能需要在特定通道數(shù)據(jù)更新時提供中斷信號?？赏ㄟ^ STAT 信號在通道 0 轉(zhuǎn)換時保持低電平 72 個時鐘周期來識別當前轉(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。偏移調(diào)整使用雙極性偏移引腳 Bos，滿量程調(diào)整時，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（補碼二進制）操作

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

7.3 雙極性（偏移二進制）操作

適用于 ±5V 輸入，校準過程包括偏移調(diào)整和滿量程調(diào)整，偏移調(diào)整時將 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?shù)?a href="http://www.makelele.cn/v/tag/167/" target="_blank">電路設(shè)計來消除這些毛刺。

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，不同型號的誤差也有所不同。

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