24Bit Σ-Δ ADC——AD7124的多通道初始化配置
24Bit Σ-Δ ADC——AD7124的多通道初始化配置
- 一、前言
- 二、ADC寄存器介绍
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- 1. 配置寄存器
- 2. 滤波寄存器
- 3. 偏置寄存器
- 4. 增益寄存器
- 5. 诊断寄存器
- 三、通道与CONFIG_x的映射
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- 多对1映射
- 1对1映射
- 混合映射
- 四、实验数据
一、前言
AD7124是目前常用的一种24位ADC，在全功率模式、9.4SPS的速率、gain = 128的状态运行，均方根（rms）可达到23nV；信号误差在±10uV左右，单片价格在￥135~150，对于测控仪器中采集芯片的选型来说，该芯片价位处于中端层面，性价比较高。
AD7124的引脚排布、硬件SPI的驱动方式我已经在上一篇文章发布过，这里不再做过多赘述，链接如下：
使用stm32的硬件SPI驱动AD7124的方法
二、ADC寄存器介绍
首先介绍一下AD7124几个常用寄存器的基本功能。我们以AD7124-4BRUZ为例，它有8个独立的设置，每个设置都包含了如下寄存器：
- 配置寄存器(Configuration register)
- 滤波寄存器(Filter register)
- 偏置寄存器(Offset register)
- 增益寄存器(Gain register)
1. 配置寄存器
配置寄存器允许用户选择ADC设置为双极性或单极性模式时的输出编码。
在双极性模式下，ADC可以采集到负电压，输出编码为偏移二进制（offset binary），采集范围是-VREF/gain ~ +VREF/gain
在单极性模式下，ADC只能采集正电压，输出编码为标准二进制（straight binary），采集范围是0 ~ +VREF/gain
在这两种情况下， 输入电压必须包含AVDD和AVSS。用户可以使用这些寄存器选择参考源，四个选项都是可用的：
1个内部2.5V参考源、1个连接REFIN1(+)和REFIN1(-)的外部参考源、1个连接REFIN2(+)和REFIN2(-)的外部参考源或以AVDD-AVSS作为参考。PGA提供了1、2、4、8、16、32、64和128倍增益。模拟输入缓存(buffer)和参考输入缓存都可以用寄存器使能。
下图为滤波寄存器0的寄存器位，Bit[15:12]是保留位，默认0；Bit11 =0为单极性，为1双极性；
2. 滤波寄存器
是一个24bit寄存器，滤波寄存器下选为数字滤波器被用于ADC调制器的输出。滤波器型号和数据输出速率在设置寄存器位时被选择。
最高3位是滤波器组数，可以用000-111代表Filter0-7；REJ60为60Hz开启数字抑制器位，写1开启，默认为50Hz抑制器；高8位的Bit[3:1]设置前置滤波器，Bit0为1开启单循环；中8位的Bit[7:4]为保留位，默认0，FS[10:8]至FS[7:0]是过滤器寄存器中要写进去的的十进制数，可以从1到2047。
不同的设置会影响输出数据速率、处理时间。
3. 偏置寄存器
增益寄存器是保持ADC增益校准系数的24位寄存器。增益寄存器是读/写寄存器。在gain=1时增益系数被校准；因此，默认值因设备而异。如果一个内部或系统全范围校准被用户初始化，默认值被自动覆写。更多信息，请看偏置滤波器部分。
4. 增益寄存器
AD7124-4有八个增益寄存器，从GAIN_0到GAIN_7。每个增益寄存器都与一个设置相关联，GAIN_x与设置x相关联。增益寄存器是24位寄存器，并保存ADC的满量程校准系数。AD7124-4的出厂校准增益为1。增益寄存器在上电和复位后包含这个工厂生成的值。
增益寄存器是读/写寄存器。
然而，当写入寄存器时，ADC必须处于待机模式或空闲模式。如果用户发起内部或系统满量程校准，则默认值将自动覆盖
或者写入满量程寄存器。
5. 诊断寄存器
又叫ERROR Registers，ERROR_EN寄存器可以使能或失能AD7124的众多诊断程序。默认下，SPI_IGNORE功能是使能的，这个位可以指示写ADC时不恰当的次数（例如，在上电和复位期间）其他诊断包括：
- SPI读和写检查，确保只有合法的寄存器才能被访问
- SCLK计数器，确保正确的SCLK脉冲数被使用
- SCLK CRC校验
- 内存分布 CRC校验
- LDO检查
当一个诊断被使能，在错误寄存器内包含相应的标志位。所有的使能标志位在状态寄存器内被命令去控制ERR flag。因此，如果发生一个错误（例如，SPI CRC校验检测到1个错误），在错误寄存器中有关的标志位会被设置（例如SPI_CRC_ERR标志位）。在状态寄存器中ERR标志位总是被置位的。ERR位表示是否发生错误。用户可以读取错误寄存器以获得关于错误源的更多信息。
三、通道与CONFIG_x的映射
图70是ADC配置寄存器与滤波、增益和偏置寄存器的关系，按照逻辑来说需要一步步地去配置，且他们之间存在几种不同的对应关系，不同的配置组合会对采样造成不同的影响，首先我们需要理解配置的灵活性(Flexibility)。
多对1映射
图71展示了CH0~CH3的通道配置，被称为Single Setup用灰色字体显示的寄存器暂时用不上。这4个差分通道均采用同一组配置寄存器，CONFIG_0的配置被4个通道共用。
Single Setup适合单通道采集，若不同的通道均采集同一范围的信号，也适用Single Setup。
下列代码展示了如何配置Single Setup：
void AD7124_Multiple_INIT(uint8_t SamHz)//多通道初始化函数
{
AD7124_Reset();
AD_Delay(500);
//写AD7124 控制寄存器
AD7124_Write_Reg(AD7124_ADC_CTRL_REG,2,AD7124_ADC_CTRL_REG_REF_EN | AD7124_ADC_CTRL_REG_POWER_MODE(3) | AD7124_ADC_CTRL_REG_MODE(0) | AD7124_ADC_CTRL_REG_CLK_SEL(0) | AD7124_ADC_CTRL_REG_CS_EN);
AD7124_Write_Reg(AD7124_CH0_MAP_REG,2,AD7124_CH_MAP_REG_CH_DISABLE | AD7124_CH_MAP_REG_SETUP(0) | AD7124_CH_MAP_REG_AINP(0) | AD7124_CH_MAP_REG_AINM(1));
AD7124_Write_Reg(AD7124_CH1_MAP_REG,2,AD7124_CH_MAP_REG_CH_ENABLE | AD7124_CH_MAP_REG_SETUP(0) | AD7124_CH_MAP_REG_AINP(2) | AD7124_CH_MAP_REG_AINM(3));
AD7124_Write_Reg(AD7124_CH2_MAP_REG,2,AD7124_CH_MAP_REG_CH_ENABLE | AD7124_CH_MAP_REG_SETUP(0) | AD7124_CH_MAP_REG_AINP(4) | AD7124_CH_MAP_REG_AINM(5));
AD7124_Write_Reg(AD7124_CH3_MAP_REG,2,AD7124_CH_MAP_REG_CH_ENABLE | AD7124_CH_MAP_REG_SETUP(0) | AD7124_CH_MAP_REG_AINP(6) | AD7124_CH_MAP_REG_AINM(7));
//写AD7124 配置0寄存器
AD7124_Write_Reg(AD7124_CFG0_REG,2,AD7124_CFG_REG_UNIPOLAR | AD7124_CFG_REG_AIN_BUFP | AD7124_CFG_REG_AINN_BUFM | AD7124_CFG_REG_REF_SEL(2) | \
AD7124_CFG_REG_PGA(7));
//单极性 | 打开ADC+缓冲 | 打开ADC-缓冲 | REF_SEL(x) x=0 REFIN1(+)/REFIN1(-) x=1 REFIN2(+)/REFIN2(-) x=2 内部基准电压源 x=3 AVDD
//REG_PGA(x) 0-7对应增益1(±2.5V) 2(±1.25V) 4(± 625mV ) 8(±312.5 mV ) 16(±156.25 mV) 32(±78.125 mV) 64(±39.06mV) 128(±19.53mV)
Samprate=SamHz;
switch(SamHz)
{
case Samprate_2Hz:
AD7124_Write_Reg(AD7124_FILT0_REG,3,AD7124_FILT_REG_FILTER(0) | AD7124_FILT_REG_REJ60 | \
AD7124_FILT_REG_POST_FILTER(0) | AD7124_FILT_REG_FS(384));
break;
case Samprate_5Hz:
AD7124_Write_Reg(AD7124_FILT0_REG,3,AD7124_FILT_REG_FILTER(0) | AD7124_FILT_REG_REJ60 | \
AD7124_FILT_REG_POST_FILTER(0) | AD7124_FILT_REG_FS(200));
break;
case Samprate_10Hz:
AD7124_Write_Reg(AD7124_FILT0_REG,3,AD7124_FILT_REG_FILTER(0) | AD7124_FILT_REG_REJ60 | \
AD7124_FILT_REG_POST_FILTER(0) | AD7124_FILT_REG_FS(100));
break;
case Samprate_20Hz:
AD7124_Write_Reg(AD7124_FILT0_REG,3,AD7124_FILT_REG_FILTER(0) | AD7124_FILT_REG_REJ60 | \
AD7124_FILT_REG_POST_FILTER(0) | AD7124_FILT_REG_FS(50));
break;
case Samprate_50Hz:
AD7124_Write_Reg(AD7124_FILT0_REG,3,AD7124_FILT_REG_FILTER(0) | AD7124_FILT_REG_REJ60 | \
AD7124_FILT_REG_POST_FILTER(0) | AD7124_FILT_REG_FS(22));
break;
case Samprate_100Hz:
AD7124_Write_Reg(AD7124_FILT0_REG,3,AD7124_FILT_REG_FILTER(0) | AD7124_FILT_REG_REJ60 | \
AD7124_FILT_REG_POST_FILTER(0) | AD7124_FILT_REG_FS(11));
break;
case Samprate_200Hz:
AD7124_Write_Reg(AD7124_FILT0_REG,3,AD7124_FILT_REG_FILTER(0) | AD7124_FILT_REG_REJ60 | \
AD7124_FILT_REG_POST_FILTER(0) | AD7124_FILT_REG_FS(5));
break;
case Samprate_500Hz:
AD7124_Write_Reg(AD7124_FILT0_REG,3,AD7124_FILT_REG_FILTER(0) | AD7124_FILT_REG_REJ60 | \
AD7124_FILT_REG_POST_FILTER(0) | AD7124_FILT_REG_FS(2));
break;
case Samprate_1kHz:
AD7124_Write_Reg(AD7124_FILT0_REG,3,AD7124_FILT_REG_FILTER(2) | AD7124_FILT_REG_REJ60 | \
AD7124_FILT_REG_POST_FILTER(0) | AD7124_FILT_REG_FS(1));
break;
}
}
1对1映射
//函数: 多通道初始化函数,初始1号AD7124的1-3通道
//变量: 无
//返回值: 无
void AD7124_Multiple_INIT(void)//多通道初始化函数
{
AD7124_Reset();
AD_Delay(500);
//写AD7124 控制寄存器
AD7124_Write_Reg(AD7124_ADC_CTRL_REG,2,AD7124_ADC_CTRL_REG_DATA_STATUS | AD7124_ADC_CTRL_REG_REF_EN | AD7124_ADC_CTRL_REG_POWER_MODE(3) | AD7124_ADC_CTRL_REG_MODE(0) | AD7124_ADC_CTRL_REG_CLK_SEL(0) | AD7124_ADC_CTRL_REG_CS_EN);
//通道指示 | 内部参考打开 | POWER_MODE(x) x=0 低功耗 x=1 中功率 x=2、3全功率 | CTRL_REG_MODE(x) x=0 连续转换模式 x=1 单次转换模式 其他模式请看手册 | CLK_SEL(x) x=0 内部 x=2 外部
//写AD7124 通道0寄存器，0号通道不开启
//使能通道0 | 用配置0 | AINP(x) ADC+选择 0-15对应通道0-15 | AINM(x) ADC-选择 0-15对应通道0-15 其他通道请查看手册
AD7124_Write_Reg(AD7124_CH0_MAP_REG,2,AD7124_CH_MAP_REG_CH_DISABLE | AD7124_CH_MAP_REG_SETUP(0) | AD7124_CH_MAP_REG_AINP(0) | AD7124_CH_MAP_REG_AINM(1));
//写AD7124 通道1寄存器
//使能通道1 | 用配置1 | AINP(x) ADC+选择 0-7对应通道0-7 | AINM(x) ADC-选择 0-7对应通道0-7 其他通道请查看手册
AD7124_Write_Reg(AD7124_CH1_MAP_REG,2,AD7124_CH_MAP_REG_CH_ENABLE | AD7124_CH_MAP_REG_SETUP(1) | AD7124_CH_MAP_REG_AINP(2) | AD7124_CH_MAP_REG_AINM(3));
//写AD7124 通道2寄存器
//使能通道2 | 用配置2 | AINP(x) ADC+选择 0-7对应通道0-7 | AINM(x) ADC-选择 0-7对应通道0-7 其他通道请查看手册
AD7124_Write_Reg(AD7124_CH2_MAP_REG,2,AD7124_CH_MAP_REG_CH_ENABLE | AD7124_CH_MAP_REG_SETUP(0) | AD7124_CH_MAP_REG_AINP(4) | AD7124_CH_MAP_REG_AINM(5));
//写AD7124 通道3寄存器
//使能通道3 | 用配置3 | AINP(x) ADC+选择 0-7对应通道0-7 | AINM(x) ADC-选择 0-7对应通道0-7 其他通道请查看手册
AD7124_Write_Reg(AD7124_CH3_MAP_REG,2,AD7124_CH_MAP_REG_CH_ENABLE | AD7124_CH_MAP_REG_SETUP(0) | AD7124_CH_MAP_REG_AINP(6) | AD7124_CH_MAP_REG_AINM(7));
//写AD7124 配置1寄存器
AD7124_Write_Reg(AD7124_CFG1_REG,2,AD7124_CFG_REG_UNIPOLAR | AD7124_CFG_REG_AIN_BUFP | AD7124_CFG_REG_AINN_BUFM | AD7124_CFG_REG_REF_SEL(2) | \
AD7124_CFG_REG_PGA(7));
//单极性 | 打开ADC+缓冲 | 打开ADC-缓冲 | REF_SEL(x) x=0 REFIN1(+)/REFIN1(-) x=1 REFIN2(+)/REFIN2(-) x=2 内部基准电压源 x=3 AVDD
//REG_PGA(x) 0-7对应增益1(±2.5V) 2(±1.25V) 4(± 625mV ) 8(±312.5 mV ) 16(±156.25 mV) 32(±78.125 mV) 64(±39.06mV) 128(±19.53mV)
//写AD7124 配置2寄存器
//单极性 | 打开ADC+缓冲 | 打开ADC-缓冲 | REF_SEL(x) x=2 内部基准电压源 | REG_PGA(6) 6对应增益64(±39.06mV)
AD7124_Write_Reg(AD7124_CFG2_REG,2,AD7124_CFG_REG_UNIPOLAR | AD7124_CFG_REG_AIN_BUFP | AD7124_CFG_REG_AINN_BUFM | AD7124_CFG_REG_REF_SEL(2) | \
AD7124_CFG_REG_PGA(6));
//写AD7124 配置3寄存器
//单极性 | 打开ADC+缓冲 | 打开ADC-缓冲 | REF_SEL(x) x=2 内部基准电压源 | REG_PGA(5) 5对应增益32(±78.125 mV)
AD7124_Write_Reg(AD7124_CFG3_REG,2,AD7124_CFG_REG_UNIPOLAR | AD7124_CFG_REG_AIN_BUFP | AD7124_CFG_REG_AINN_BUFM | AD7124_CFG_REG_REF_SEL(2) | \
AD7124_CFG_REG_PGA(5));
//写AD7124 滤波寄存器1 500Hz
//FILTER(x)x=0 sinc4 x=2 sinc3 x=7 后置滤波器 其他请查看手册 | 打开60Hz陷波 | POST_FILTER(x) 后置滤波器设置查看手册 | FS(x)具体滤波配置查看网址
AD7124_Write_Reg(AD7124_FILT1_REG,3,AD7124_FILT_REG_FILTER(2)|AD7124_FILT_REG_REJ60|AD7124_FILT_REG_POST_FILTER(0) | AD7124_FILT_REG_FS(2));
//写AD7124 滤波寄存器2 500Hz
//FILTER(x)x=0 sinc4 x=2 sinc3 x=7 后置滤波器 其他请查看手册 | 打开60Hz陷波 | POST_FILTER(x) 后置滤波器设置查看手册 | FS(x)具体滤波配置查看网址
AD7124_Write_Reg(AD7124_FILT2_REG,3,AD7124_FILT_REG_FILTER(2)|AD7124_FILT_REG_REJ60|AD7124_FILT_REG_POST_FILTER(0) | AD7124_FILT_REG_FS(2));
//写AD7124 滤波寄存器3 500Hz
//FILTER(x)x=0 sinc4 x=2 sinc3 x=7 后置滤波器 其他请查看手册 | 打开60Hz陷波 | POST_FILTER(x) 后置滤波器设置查看手册 | FS(x)具体滤波配置查看网址
AD7124_Write_Reg(AD7124_FILT3_REG,3,AD7124_FILT_REG_FILTER(2)|AD7124_FILT_REG_REJ60|AD7124_FILT_REG_POST_FILTER(0) | AD7124_FILT_REG_FS(2));
}
混合映射
配置原理和上述相同，不同的是AIN6/AIN7可以被配置到CHANNEL2，也就是说3号通道可以被被知道通道1的寄存器上，
四、实验数据
下列是几个不同通道，设置不同组Config后采集的数据（照片拍得有点糊，见谅……），2通道使用CINFIG_1的配置，3通道使用CONFIG_2，而PT1000的通道采用CONFIG_0。
在实际应用中，不同的通道应配置不同的组数，以防配置信息代码产生耦合。