摘 要：介绍一种廉价、四通道、输入可编程的微功耗串行12位A／D转换器———MCP3204的
功能、特点、工作原理、操作过程以及与单片机接口的应用电路实例和软件清单。
关键词：串行A／D转换器 SPI接口总线 采样保持 数据传送
1 MCP3204简介
1．1 概 述
MCP32XX系列A／D转换器是Microchip公司在继8位微功耗单片机之后，进军模拟器件市场的一成功之作。它总结了以往模拟器件厂商生产模数转换器（ADC）的经验，将其在单片微功耗技术的经验应用于A／D转换器而开发出一系列高性价比的12位逐次渐近型A／D转换器MCP32XX，MCP3204即是其中一例。该系列ADC工作原理和操作方法大同小异，下面即以MCP3204为例来介绍该系列A／D转换器的特点和操作。
（1）单电源工作，工作电压范围宽，可在2．7～5．5V电压间工作；
（2）功耗低，激活工作电流仅为400μA，而维持工作电流仅0．5μA；
（3）工作方式灵活，单端输入工作方式和准差分输入工作方式可通过命令设置，其中准差分输入工作方式能有效抑制输入端共模干扰的影响；
（4）与微处理器采用SPI接口总线通讯，为微处理器节约了口线，同时，也使数据采集更加方便；
（5）几乎无外围器件，从而减少了由于外围器件而引入的干扰和误差，同时也提高了可靠性；
（6）ESD保护，所有管脚均能随4kV静电释放；
（7）转换速度可达100kHz；
（8）适应温度范围宽，－40℃～85℃；
（9）价格低廉，现时零售价低于30元人民币。
由于其极低的功耗和灵活的工作方式，它适宜于各种电池供电系统、便携式仪表、数据采集系统和传感器接口的应用。
1．2 MCP3204的内部结构
MCP3204主要由输入通道选通开关、采样保持单元、数据转换器（DAC）、比较器、12位逐次逼近寄存器（SAR）、控制逻辑单元和移位寄存器等部分组成，如图1所示。其转换原理是：通过比较器，利用已知的标准电压与被测电压进行比较，当被测电压与标准电压相等时，则该标准电压即为A／D转换的结果。标准电压是按照二进制编码变化的可变量，通常它是由逐次逼近寄存器（SAR）和DAC产生的。SAR用于产生一个二进制编码的数字量，DAC将这个数字量转换成模拟电压即为标准电压，SAR的位数决定了A／D转换器的分辨率，同时SAR的位数又决定了A／D转换器完成一次转换过程中标准电压与被测电压比较的次数，也就是说决定了完成一次A／D转换的所需要的时间。每次进行A／D转换的通道号通过控制逻辑选取，而转换后的二进制数据则通过移位寄存器串行输出。
式中：VIN：从CH0～CH3输入的模拟电压，V；
VREF：输入参考电压，V。
1．3 MCP3204引脚功能
MCP3204双列直插封装型式引脚分布如图2所示。
图2中各引脚功能如下： 
a）CH0～CH3：模拟信号输入端
b）NC：保留未用端子
c）DGND：数字地
d）
SHDN：片选／关闭输入
e）DIN：串行数据输入端
f）DOUT：串行数据输出端
g）CLK：串行数据输入输出时钟
g）AGND：模拟地
i）VREF：参考电压输入端
j）VDD：供电电源正端
2 MCP3204的简要操作过程
微处理器对MCP3204的操作控制主要是通过MCP3204的标准SPI串行总线接口实现的，其操作时序如图3所示。
由图3可知，当片选信号
由高变低，且DIN为高电平时，第一个时钟脉冲CLK的上升沿的到来将构成一个数据交换起始位（Start位），此时MCP3204才能接收微处理器发出的命令，若不满足上述条件，MCP3204将对DIN输入的数据不予理会。这时,仅DIN输入才有效,而DOUT输出呈高阻状态。在起始位后,MCP3204接收的是输入方式选择位（SGL／DIFF位）,此位将决定该A／D转换器输入方式———单端输入还是差分输入，紧接此后输入的3位数据选择模拟输入通道号，具体详见表1所示。
当输入完四位命令数据后，MCP3204将开放选通通道开始对其电压值进行采样，这个过程将需要
1．5个时钟周期去完成。采样时钟后，下一时钟的下降沿在DOUT上将输出一个无效的0，紧接着时钟
的下降沿DOUT将依次输出转换后二进制数据，其顺序是由最高位到最低位（B11～B0）共12位数据，这样便完成了一次A／D转换周期。
需要指出的是：
（1）当MCP3204接收命令数据时，时钟CLK的上升沿有效；当MCP3204输出转换后的数据时，时
钟CLK的下降沿有效。
（2）当采样结束后，读取所有12位转换数据必须在1．2ms时间内完成，否则将影响转换精度。
（3）当MCP3204所在电路板有一地线层时，模拟地AGND管脚与数字地DGND管脚应当连接到模拟地线层；当所在电路板有模拟地线层和数字地线层时，AGDN管脚和DGND管脚将连接到模拟地线层；当所在电路板没有地线层时，必须将AGND管脚和DGND管脚一起连到电路板的地线VSS上，这将有效减少数字噪声耦合到A／D转换器上的机会。
3 应用实例
MCP3204和微处理器之间数据交换最直接、最有效的方法是利用微处理器的SPI总线接口与MCP3204的SPI接口通讯，这样，只需占用微处理器很少的资源便能很快获取转换后的数据。但是，当微处理器不带SPI接口时，如常用的51系列单片机89C52，则需要运用微处理器输入输出口线及其软件来模拟SPI接口的操作，以获取MCP3204转换的数据。以下介绍MCP3204与89C52的接口。
当不进行A／D转换时，最好把CS———／SHDN设置成高电平，以使MCP3204处于在维持工作方式，减小功耗，这一点在电池供电系统和微功耗系统中尤为重要。
假设输入方式选择及通道号选择置于微处理器89C52累加器A中的高四位，输出的转换结果保存
于R0指向的地址中，（R0）－高四位，（R0＋1）－低八位，则采集一次A／D转换数据的程序清单如下：
SETBCLK；当DIN＝1，CS由1变到0时，第一个时钟上升沿的到来构成一个起始位
INC R0
XCHA，R5
MOV＠R0，A；取低八位数据保存于（R0＋1）单元
INCR0
SETBCS
RET
通过上述程序便能很好地实现在没有SPI接口的51系列单片机与MCP3204之间的通讯连接，从而使微处理器能迅速地获取经过A／D转换后的数字信号。以上程序已上机调试通过，读者稍加修改便可使用。
4 结束语
该A／D转换器已成功地应用在我所开发生产的流量信号数据采集系统中，并经过严格的温湿度及静电实验，达到预期效果。但是由于微处理器不含SPI接口，与MCP3204连接，要用软件模拟SPI接口操作，占用机时较多。因此，在使用中，最好使用带SPI接口的微处理器与MCP3204连接，这样，只需很少的几条指令便能获取A／D转换的数据，便于提高微处理器的运行效率。
参考文献
1 Microchip Technical Library CD－ROM
2 吕勇军．A／D转换器MAX171及其与单片机的接口．电子技术应用，1999．7
