AD7705／7706在仪器仪表中的应用

[b]0概 述 [/b] 　　在工业过程控制、医疗器械、电子称及多媒体等许多应用中，对系统的速度、功耗及成本等性能的要求越来越高。自上世纪70年代中期以来，大多数单片模数转换器采用了积分、逐次逼近或并行比较技术，进入80年代Σ-△技术进一步扩展了选择的余地。 　　Σ-△转换器具有相对简单的结构，又称为过采样转换器。这种转换器由Σ-△调制器及连接于其后的数字滤波器构成（图1）。调制器的结构非常近似于双斜率ADC，包括一个积分器和一个比较器，以及含有一个1位DAC的反馈环。这个内置的DAC仅仅是一个开关，它将积分器输入切换到一个正或负的参考电压Σ-△ ADC还包括一个时钟单元，为调制器和数字滤波器提供适当的定时。 窄带信号送入Σ-△ ADC后被以非常低的分辨率（1位）进行量化，但采样频率却非常高，如2MHz或更高。经数字滤波处理后这种过采样被降低到一个比较低的采样率 ，如8kHz左右，同时ADC的分辨率（即动态范围）被提高到16位或更高。这种Σ-△技术在模数转换器市场上占据了很重要的位置。它具有三个主要优势： 　　(1) 低价格、高性能 　　(2) 集成化的数字滤波 　　(3) 与DSP技术的兼容性便于实现系统集成 　　 　　AD7705／7706是利用Σ-△转换技术实现了16位无丢失代码性能。该器件可以接受直接来自传感器的低电平的输入信号，然后产生串行的数字输出。AD7705／7706只需2．7～3．3V或4．75～5．25V单电源。AD7705是双通道全差分模拟输入，而AD7706是3通道伪差分模拟输入，二者都有一个差分基准输入。当电源电压为5V、基准电压为2．5V时，这二种器件都可将输入信号范围从0～20mA到0～2．5V的信号进行处理。还可以处理%26;#177;20mV～%26;#177;2．5V的双极性输入信号。当电源电压为3V、基准电压为1．225V时，可处理0～10mV到0～1．225V的单极性输入信号，它的双极性输入信号范围是%26;#177;10mV到%26;#177;1．225V对于AD7705是以AIN(-)输入端为参考点，而AD7706是COMMON输入端。AD7705／7706是用于智能系统、微控制器系统和基于DSP系统的理想产品。其串行接口可配置为三线接口。增益值、信号极性以及更新速率的选择可用串行输入口由软件来配置。该器件还包括自校准和系统校准选项，以消除器件本身或系统的增益和偏移误差。 1 AD7705／7706的特点 　　(1) AD7705：2个全差分输入通道的ADC 　　(2) AD7706：3个伪差分输入通道的ADC；16位无丢失代码；0．003%非线性 　　(3) 可编程增益：1～128 　　(4) 三线串行接口SPITM、QSPITM、MICROWIRETM和DSP兼容 　　(5) 有对模拟输入缓冲能力 　　(6) 2．7～3．3V或4．75～5．25V工作电压 　　(7) 3V电压时，最大功耗为1mW 　　(8) 等待电流的最大值为8mA 　　(9) 16脚DIP、SOIC和TSSOP封装 2 AD7705／7706的引脚排列及功能　　 　　AD7705／7706的引脚排列如图2，引脚说明见表1。 3 AD7705／7706片内寄存器 　　AD7705／7706包括6个用户可通过串行口访问的片内寄存器。 　　第一个是通讯寄存器，它管理通道选择，决定下一个操作是读操作还是写操作,以及下一次读或写哪一个寄存器。所有与器件的通讯必须从写通讯寄存器开始。上电或复位后，器件等待在通讯寄存器上进行一次写操作。 　　第二个寄存器是设置寄存器，决定校准模式、增益设置、单／双极性输入以及缓冲模式。 　　第三个寄存器是时钟寄存器，包括滤波器选择位和时钟控制位。 　　第四个寄存器是数据寄存器，器件输出的数据从这个寄存器读出。 　　第五个寄存器是零标度校准寄存器，AD7705／7706包含几组独立的零标度寄存器 ，每个零标度寄存器负责一个输入通道。它们都是24位读／写寄存器。 　　第六个寄存器是满标度校准寄存器，AD7705／7706包含几组独立的满标度寄存器 ，每个满标度寄存器负责一个输入通道。它们都是24位读／写寄存器。 4 AD7705／7706的接口时序 　　如前所述，AD7705／7706的编程功能用片内寄存器的设置来控制。对这些寄存器的读／写操作通过器件的串行接口来完成。 　　AD7705／7706的串行接口包含5个信号：CS、SCKL、DIN、DOUT和DRDY。DIN线用来向片内寄存器传送数据，而DOUT线用来访问寄存器里的数据。SCLK是串行时钟输入,所有的数据传输都和SCLK信号有关。DRDY线作为状态信号，以提示数据什么时候已准备好从寄存器读数据。输出寄存器中有新的数据时，DRDY变为低电平。CS是片选信号,用来选择器件。图3和图4是AD7705／7706的接口时序图。图3是从AD7705／7706的输出移位寄存器读数据的时序图。图4则是向输入移位寄存器写入数据的时序图。 5 AD7705／7706在智能仪器仪表中的应用 　　AD7705提供双通道、低成本、高分辨率模数转换功能。由于采用Σ-△结构实现模数转换，使得该器件在噪音环境下能免受干扰，因此它很适合于工业控制用。同时它还提供了可编程的增益放大器，数字滤波器和校准选项。因此，它提供比普通的积分ADC更多的系统功能，而且没有必要有高质量的积分电容器的缺点。 　　片上PGA允许AD7705处理低至10mV（满标度）的模拟输入电压(VREF＝+1．25V)。器件在非缓冲模式下工作时，差分输入使模拟输入范围的绝对值处于GND和VDD之间的任一值。由此器件允许将传感器直接与AD7705的输入端相连。下面是由本人开发的“Q－101轴瓦厚度测量仪”的具体应用。 　　 　　本测量仪是采用气动测量原理进行测量。就是以空气作为介质，利用空气流动时的特性来实现机械量的测量。气动量仪按工作原理可分为流量式和压力式两类。“Q－101轴瓦厚度测量仪”采用的是压力式气动量仪，把被测量的变化转换成空气压力的变化量，然后通过测量压力信号来测量轴瓦的厚度。其原理如图5和图6所示。当经过稳压后压力为Pa的空气通过进气喷嘴，经测量喷嘴和挡板之间的间隙逸入大气时，背压Px与间隙S之间的关系如图6所示，这种背压与间隙之间的关系是一一对应的。系统组成框图如图7所示。首先，用压力传感器来测量背压Px，然后，将传感器输出的差分信号送到模数转换器（AD7705芯片）中，进行模数转换，再将得到的数字量送入单片机（采用LG公司生产的GMS97C52单片机）进行数据处理。最后，送入显示窗口（LED）。在设计制作中，应注意以下问题： 由于模拟输入和基准输入是差分的，模拟调制器的大部分电压都是共模电压，AD7705／7706的良好的共模抑制性能能消除这些共模输入信号里的共模噪声，数字滤波器能抑制供电电源产生的除了调制器采样频率整数倍的频率以外的宽带噪声。此外 ，数字滤波器还能消除模拟和基准输入信号里的噪声不使模拟调制器饱和。但是，由于它的分辨率太高，而要求的噪声电平太小，所以，必须注意接地和电路布线。 　　AD7705／7706的印制板电路必须按规格设计，以确保模拟区和数字区分开并各自限定在电路板上的一定区域。利用接地平面可以很容易地将它们分开。因为这样能使屏蔽性能最好。应在一个地方将模拟和数字接地平面连接在一起，以避免出现接地环路。应避免在元器件下面走数字线，因为这样会造成片内噪声成倍增加。AD7705／7706的电源线应用足够粗的，以便降低线路阻抗，同时减少电源供电的尖峰信号的影响。时钟信号不能在模拟输入信号附近通过，模拟信号和数字信号之间应避免相互交叉。所有的模拟电源都应去耦。用10μF并联一个0．1μF的陶瓷电容接GND去耦。