基于数字视频模/数转换器实现高精度数据采集的设计
在测量、工业控制系统中，a/d变换器的数据采集精度对系统的性能有着至关重要的影响。传统的a/d器件，大都采用逐次逼近方式，而cs5396/97采用了∑-δ技术，可实现24位的高分辨率。∑-δ技术的本质是采用负反馈方式逐步减小输入模拟信号与dac反馈信号的差值，∑-δ a/d器件比传统的逐次逼近方式的a/d器件性能好。cs5396/97构成的数据采集系统具有高分辨率、宽动态范围、高信噪比等特点，特别适合于高精度数据采集的场合。
1 cs5396/97的主要性能
cs5396/97是一个完整的数字视频模/数转换系统，它能完成采样、模/数转换、数字滤波等，对左/右两个模拟信号输入通道进行约100khz的采样，并以24位串行数据（校正和滤波后，动态范围为120db）输出转换结果。cs5396/97具有一个七阶三态∑-δ调制器（可选择64位或128倍的过采样率），a/d变换器的输入采用差动结构以便消除共模噪声干扰。cs5396/97主要性能特点是：
（1）高精度24位输出;
（2）120db动态范围;
（3）低噪声、噪声分离度》105db thd+n;
（4）cmos工艺器件;
（5）可变频率的采样时钟;
（6）差动的模拟信号输入;
（7）具有线性相位数字滤波器;
（8）具有10节点的可编程序噪声抑制滤波器;
（9）单一+5v dc供电。
cs5396/97可工作于两种工作方式：独立工作方式和受控工作方式。至于选择哪一种工作方式，取决于系统加电时cs5396的“sdata1”引脚的状态（1：对应于“受控方式”;0：对应于“独立工作方式”）。在独立工作方式下，cs5396的时钟主/从方式选择、省电模式控制、标定过程控制等均由cs5396的外部引脚状态确定。在受控工作方式，cs5396的时钟主/从方式选择、省电模式控制、sdata1/sdata2数据输出选择、同步方式、过采样率（64倍或128倍）、高通滤波器的使能/禁止、a/d输出数据的位数（24位、16位、18位或20位）及数据对齐方式（左对齐格式/i2s数据格式）等均由a/d内部的控制寄存器中的控制字确定。受控工作方式可实现dsp（或其它微控制器）对a/d变换器的全面控制;而独立工作方式仅能部分地选择a/d变换器的工作参量。所以在一般情况下，应选择受控工作方式。本文将对受控工作方式进行比较详细的讨论。cs5396器件的引脚及意义描述如图1所示。
2 基于cs5396/97的dsp高精度数据采集系统
图2是由dsp（tms320c32）、程序/数据存储器、24位fifo存储器、现场可编程序器件fpga（完成a/d变换的串行数据并行数据的转换及各存储器的地址译码/读写控制等逻辑控制功能）和cs5396/97等构成的高精度数据采集数据。
2.1 a/d数据缓冲器fifo及fpga电路
a/d数据缓冲器fifo的长度为4k，位数为24位，对应于tms320c32的数据总线的低25位，即d［24:0］。其中低24位（d［23：0］）为a/d数据，最高1位（d［24］）为通道号。a/d输入 有2个通道，数据安排为：先左（第1通道）后右（第2通道），数据编码为二进制补码。
因为cs5396的24位a/d转换结果是以串行数据（以时钟sclk为基准）输出的，为了存储a/d转换结果，必须将这24位串行数据转换为并行数据，然后再存储到24位fifo ram中。串-并转换电路是由fpga器件xc3064［2］来完成的。
2.2 a/d控制口
系统有两个模拟输入通道，用1片cs5396-ks实现，工作在受控方式。tms320c32（a/d控制）通过a/d控制口，可设置它们的工作模式（过采样率、主/从模式、数据格式选择、高通滤波禁止等）。
系统要求：过采样率为64倍;工作在主模式;数据格式为i2s;禁止高通滤波。
2.2.1 控制寄存器
cs5396/97器件内部含有若干个控制寄存器，dsp可对其进行读/写，用于设置cs5396的工作方式。
（1）模拟控制寄存器（地址00000001）
fstart：置1开始同步工作，自动清零;
gndcal：置1使模拟输入接vcom，用于自校正;
aapd：置1使模拟部分进入省电模式;
adpd：置1使数字部分进入省电模式;
1bit：测试位，必须保持为0。
（2）模式寄存器（地址00000010）
128x/64x：过采样率选择
0为64位过采样率;1为120倍过采样率。
cal：置1，初始化自校正，自动清零。
sign：置1使模拟输入反向。
lr/ll：输出模式选择
0为输出先左后右;1为sdata1输出左通道，
sdata2输出右通道。
hpen：高通滤波器
0为允许高通滤波器;1为禁止高通滤波器。
s/m：主/从模式选择
0为主模式;1为从模式。
dfs：数据格式选择
0为左对齐格式;1为i2c格式。
mute：置1，输出全为0.
2.2.2 a/d控制口操作流程
（1）上电后dsp设置控制字，使a/d工作。
（2）检查a/d控制寄存器满标志，满则等待，不满则进行下一步。
（3）对a/d控制口作写操作，16位数据。高8位为寄存器地址，低8位为相应的数据。
2.2.3 a/d自动正流程
（1）置fstart位。
（2）置gndcal位。
（3）置cal位。
（4）等160ms。
（5）清gndcal位。
2.2.4 tms320c32对a/d的操作流程
（1）设置控制字。
（2）设置a/d工作模式。
（3）置fstart位。
（4）延迟10s，使vref达到稳定。
（5）对a/d进行自校正。
（6）等a/d采样数据。
2.2.5 控制字
（1）模式控制字：
020ah，高通滤波器无效、主模式、i2c格式;
020eh，高通滤波器无效、从模式、i2c格式工。
（2）多片a/d同步控制字：0180h。
（3）置ghdcal控制字：0140h。
（4）自校正控制字：024ah，主模式;024eh，从模式。
3 采样结果分析
当用标准的信号源设定模拟输入信号频率为1khz、幅度为3v时，a/d变换器的采样结果与功率谱估计结构（采样数据通过dsp系统中的usb总线接口传送至pc机后的处理结果）如图3和图4所示。这里将cs5396设置成主动工作方式（模式控制字为020ah）、24位输出、主时钟mclk=mclka=mclkd=12.288mhz、64倍的过采样率（采样频率fs=mclk/64=48khz，串行时钟sclk=mclk/4=3.072mhz），采样点数n=1024。在上述条件下，a/d变换器采样数据在频率域（功率谱密度）的动态范围并且信噪比在95db以上，达到了非常高的采样精度。由此可见，基于cs5396/97的数据采集系统可用于需要较高采样精度、且信号带宽在20khz以内的场合。这种系统具有较高的使用价值和推广价值。
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cs5396/97是一个完整的数字视频模/数转换系统，它能完成采样、模/数转换、数字滤波等，对左/右两个模拟信号输入通道进行约100khz的采样，并以24位串行数据（校正和滤波后，动态范围为120db）输出转换结果。cs5396/97具有一个七阶三态∑-δ调制器（可选择64位或128倍的过采样率），a/d变换器的输入采用差动结构以便消除共模噪声干扰。cs5396/97主要性能特点是：
（1）高精度24位输出;
（2）120db动态范围;
（3）低噪声、噪声分离度》105db thd+n;
（4）cmos工艺器件;
（5）可变频率的采样时钟;
（6）差动的模拟信号输入;
（7）具有线性相位数字滤波器;
（8）具有10节点的可编程序噪声抑制滤波器;
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cs5396/97可工作于两种工作方式：独立工作方式和受控工作方式。至于选择哪一种工作方式，取决于系统加电时cs5396的“sdata1”引脚的状态（1：对应于“受控方式”;0：对应于“独立工作方式”）。在独立工作方式下，cs5396的时钟主/从方式选择、省电模式控制、标定过程控制等均由cs5396的外部引脚状态确定。在受控工作方式，cs5396的时钟主/从方式选择、省电模式控制、sdata1/sdata2数据输出选择、同步方式、过采样率（64倍或128倍）、高通滤波器的使能/禁止、a/d输出数据的位数（24位、16位、18位或20位）及数据对齐方式（左对齐格式/i2s数据格式）等均由a/d内部的控制寄存器中的控制字确定。受控工作方式可实现dsp（或其它微控制器）对a/d变换器的全面控制;而独立工作方式仅能部分地选择a/d变换器的工作参量。所以在一般情况下，应选择受控工作方式。本文将对受控工作方式进行比较详细的讨论。cs5396器件的引脚及意义描述如图1所示。
2 基于cs5396/97的dsp高精度数据采集系统
图2是由dsp（tms320c32）、程序/数据存储器、24位fifo存储器、现场可编程序器件fpga（完成a/d变换的串行数据并行数据的转换及各存储器的地址译码/读写控制等逻辑控制功能）和cs5396/97等构成的高精度数据采集数据。
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