如何转换双极性差分 ADC 值？

Posted 2023-02-19

【中文标题】如何转换双极性差分 ADC 值？

【英文标题】：How do I convert a bipolar differential ADC value?

【发布时间】：2022-01-07 13:35:23

【问题描述】：

我正在尝试在 C++ 中转换 ADC 双极性差分信号。我使用的设备是 12 位 MAX11613 (datasheet)，微控制器是 Raspberry PI 3B+。到目前为止，我能够捕获值，但结果不是我期望的 AIN0 和 AIN1 的微分结果。

设备是 3.3V 电源，AIN0 上的输入是 0-3.3V。 AIN1 上的输入是 1.65V 输入信号的虚拟地。

下面显示的设备的双极传递函数可能是我混淆的根源。为什么刚好低于 1.65V 的中间值会产生 0b111111111111 而不是 0b100000000001 的值？如果这实际上是正确的，那么与虚拟接地输入 (AIN1) 相比，如何调整以反映实际的负电压？

对于它的价值，这是我的代码：

max11613.h

#include <sys/ioctl.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
extern "C" 
    #include <linux/i2c.h>
   #include <linux/i2c-dev.h>
   #include <i2c/smbus.h>

#define MAX_ADDRESS  (0x34)//binary: 0110100
#define MAX_READ        (0x01)
#define MAX_WRITE       (0x00)
#define MAX_SETUP       (0x8E)//0x8E
//REG SEL2 SEL1 SEL0 CLK BIP/UNI RST X
//1000 1110=0x8E SEL2=0, SEL1=0, SEL0=0, VDD REF, EXTERNAL CLOCK, BIPOLAR, RESET 
#define MAX_CONFIG  (0x00)//0x00
//REG SCAN1 SCAN0 CS3 CS2 CS1 CS0 SGL/DIFF
//0000 0000=0x00 DIFFERENTIAL CHANNEL 0, 1 NO SCAN
class MAX11613 
    protected:
        uint8_t   m_i2cAddress;
        uint32_t  m_conversionDelay;
    public:
        MAX11613(uint8_t i2cAddress = MAX_ADDRESS);
        void setup(void);
        int16_t readMAXADC_Differential_0_1(void);
    private:
;

max11613.cpp

#include "max11613.h"
#include <iostream>
int i2cMAXHandle;
float mv_conversion = float(3300.0/4095);
static void beginMAXTransmission(uint8_t i2cAddress) 
  i2cMAXHandle = i2cOpen(1, i2cAddress, 0);//USE pigpio FUNCTION SEE https://abyz.me.uk/rpi/pigpio/cif.html
  if(i2cMAXHandle < 0) 
    std::cout << "HANDLE ERROR: " << stderr << " " << strerror(errno) << std::endl;
    exit(1);
  

static void endMAXTransmission(void) 
    i2cClose(i2cMAXHandle);

static void writeMAXRegister(uint8_t i2cAddress, uint8_t reg, uint8_t value) 
    uint8_t payload = value;
    beginMAXTransmission(i2cAddress);
    i2cWriteByteData(i2cMAXHandle, reg, payload);
    endMAXTransmission();

static int16_t readMAXRegister(uint8_t i2cAddress, uint8_t reg) 
    const uint8_t datalength = 2;
    char data[datalength];
    beginMAXTransmission(i2cAddress);
    i2cReadI2CBlockData(i2cMAXHandle, reg, data, datalength);
    endMAXTransmission();
    int16_t res = (uint16_t)(data[0] << 8) & ((data[0] & 0x08) ? 0xffff: ~0xf000) | (uint16_t)data[1];//strip preceding 1111 bits and combine data[0] and data[1] to int16_t value
    float mv = float(mv_conversion * float(res));//convert adc result to mv
    return mv;

MAX11613::MAX11613(uint8_t i2cAddress) 
    m_i2cAddress = i2cAddress;
    m_conversionDelay = int(0);

void MAX11613::setup() 
    writeMAXRegister(m_i2cAddress, 1, MAX_SETUP);
    writeMAXRegister(m_i2cAddress, 1, MAX_CONFIG);// Write config register to the ADC

int16_t MAX11613::readMAXADC_Differential_0_1() 
    int16_t res = readMAXRegister(m_i2cAddress, 0);// Read the conversion results AND SHIFT RIGHT TO GET 12 BIT RESULT
    usleep(100);
    return res;

示例 1 输出数据： 当示波器读数为-1.16V时

readMAXRegister() 的第一个输出：1111001010110010

readMAXRegister() 的第二个输出：0000001010110010

readMAXADC_Differential_0_1() 的最后输出：0000001010110010 690

示例 2 输出数据：

当示波器读数为+1.28V时

readMAXRegister() 的第一个输出：1111110011111110

readMAXRegister() 的第二个输出：0000110011111110

来自 readMAXADC_Differential_0_1() 的最后输出：1111110011111011 -773

编辑：原理图

EDIT2：示波器图像示例 黄色波是信号 AIN0，而示波器 GND 连接到 AIN1（注意此图中的双极正弦波响应在 -800mV 和 920mV 之间。）蓝色方波表示每个 ADC 读数在峰值和谷值处的读取范围信号。

【问题讨论】：

Why is it that a value just under the midrange of 1.65V would produce a value of 0b111111111111 and not 0b100000000001? - 在 DS 中明确说明，它是 two's complement 格式。 When oscilloscope reading is -1.16V - 与什么终端有关？ GND，虚拟地？请张贴原理图。

二进制补码格式？我不明白，但我会阅读它，看看我是否能弄清楚，但鉴于我的粗略阅读，这是有道理的。连接示波器时，我的意思是 AIN0 连接到示波器输入，而 AIN1（1.65v 虚拟 GND）连接到示波器地。我添加了一个电路原理图来显示 ADC 连接。

NOTE THIS IS A POSITIVE VALUE AND NOT THE EXPECTED NEGATIVE DIFFERENTIAL VALUE AND SEEMS TO CORRESPOND TO THE ACTUAL GND TO VDD VOLTAGE. 示波器和电源的接地是否分开？不确定您来自哪里（电源插座在不同国家/地区有所不同，因此我的描述可能对您没有任何意义）以及您的电源是什么，但在将示波器的接地连接到被测电路时，您是否没有短路某些东西，例如通过电源插座中的接地/安全端子？

@alagner，示波器在测试期间不会将信号接地。见附图。该电路和数据收集与 ADS1015 芯片配合良好，只是我需要切换到可以更快读取速度的不同芯片。

@alagner，看来我正在取得一些进展。你能告诉我这是否是将两个 8 位无符号字符字节转换为一个有符号整数值的正确方法吗？ data[0] 和 data[1] 分别是 MSB 和 LSB 值。 uint16_t res = (data[0]

【参考方案1】：

使用最终工作细节更新原始代码。

我使用 pigpio 库来控制对芯片的读写。设置函数首先运行完成芯片设置和配置，然后根据需要调用读取。

非常感谢 alagner 协助审查代码和故障排除！