AD7705／7706在儀器儀表中的應(yīng)用
[導(dǎo)讀]在工業(yè)過程控制、醫(yī)療器械、電子稱及多媒體等許多應(yīng)用中，對系統(tǒng)的速度、功耗及成本等性能的要求越來越高。
0概 述
在工業(yè)過程控制、醫(yī)療器械、電子稱及多媒體等許多應(yīng)用中，對系統(tǒng)的速度、功耗及成本等性能的要求越來越高。自上世紀70年代中期以來，大多數(shù)單片模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用了積分、逐次逼近或并行比較技術(shù)，進入80年代Σ-△技術(shù)進一步擴展了選擇的余地。
Σ-△轉(zhuǎn)換器具有相對簡單的結(jié)構(gòu)，又稱為過采樣轉(zhuǎn)換器。這種轉(zhuǎn)換器由Σ-△調(diào)制器及連接于其后的數(shù)字濾波器構(gòu)成（圖1）。調(diào)制器的結(jié)構(gòu)非常近似于雙斜率ADC，包括一個積分器和一個比較器，以及含有一個1位DAC的反饋環(huán)。這個內(nèi)置的DAC僅僅是一個開關(guān)，它將積分器輸入切換到一個正或負的參考電壓Σ-△ ADC還包括一個時鐘單元，為調(diào)制器和數(shù)字濾波器提供適當?shù)亩〞r。
窄帶信號送入Σ-△ ADC后被以非常低的分辨率（1位）進行量化，但采樣頻率卻非常高，如2MHz或更高。經(jīng)數(shù)字濾波處理后這種過采樣被降低到一個比較低的采樣率 ，如8kHz左右，同時ADC的分辨率（即動態(tài)范圍）被提高到16位或更高。這種Σ-△技術(shù)在模數(shù)轉(zhuǎn)換器市場上占據(jù)了很重要的位置。它具有三個主要優(yōu)勢：
(1) 低價格、高性能
(2) 集成化的數(shù)字濾波
(3) 與DSP技術(shù)的兼容性便于實現(xiàn)系統(tǒng)集成
AD7705／7706是利用Σ-△轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)了16位無丟失代碼性能。該器件可以接受直接來自傳感器的低電平的輸入信號，然后產(chǎn)生串行的數(shù)字輸出。AD7705／7706只需2．7～3．3V或4．75～5．25V單電源。AD7705是雙通道全差分模擬輸入，而AD7706是3通道偽差分模擬輸入，二者都有一個差分基準輸入。當電源電壓為5V、基準電壓為2．5V時，這二種器件都可將輸入信號范圍從0～20mA到0～2．5V的信號進行處理。還可以處理±20mV～±2．5V的雙極性輸入信號。當電源電壓為3V、基準電壓為1．225V時，可處理0～10mV到0～1．225V的單極性輸入信號，它的雙極性輸入信號范圍是±10mV到±1．225V對于AD7705是以AIN(-)輸入端為參考點，而AD7706是COMMON輸入端。AD7705／7706是用于智能系統(tǒng)、微控制器系統(tǒng)和基于DSP系統(tǒng)的理想產(chǎn)品。其串行接口可配置為三線接口。增益值、信號極性以及更新速率的選擇可用串行輸入口由軟件來配置。該器件還包括自校準和系統(tǒng)校準選項，以消除器件本身或系統(tǒng)的增益和偏移誤差。
1 AD7705／7706的特點
(1) AD7705：2個全差分輸入通道的ADC
(2) AD7706：3個偽差分輸入通道的ADC；16位無丟失代碼；0．003%非線性
(3) 可編程增益：1～128
(4) 三線串行接口SPITM、QSPITM、MICROWIRETM和DSP兼容
(5) 有對模擬輸入緩沖能力
(6) 2．7～3．3V或4．75～5．25V工作電壓
(7) 3V電壓時，最大功耗為1mW
(8) 等待電流的最大值為8mA
(9) 16腳DIP、SOIC和TSSOP封裝
2 AD7705／7706的引腳排列及功能
AD7705／7706的引腳排列如圖2，引腳說明見表1。
3 AD7705／7706片內(nèi)寄存器
AD7705／7706包括6個用戶可通過串行口訪問的片內(nèi)寄存器。
第一個是通訊寄存器，它管理通道選擇，決定下一個操作是讀操作還是寫操作,以及下一次讀或?qū)懩囊粋€寄存器。所有與器件的通訊必須從寫通訊寄存器開始。上電或復(fù)位后，器件等待在通訊寄存器上進行一次寫操作。
第二個寄存器是設(shè)置寄存器，決定校準模式、增益設(shè)置、單／雙極性輸入以及緩沖模式。
第三個寄存器是時鐘寄存器，包括濾波器選擇位和時鐘控制位。
第四個寄存器是數(shù)據(jù)寄存器，器件輸出的數(shù)據(jù)從這個寄存器讀出。
第五個寄存器是零標度校準寄存器，AD7705／7706包含幾組獨立的零標度寄存器 ，每個零標度寄存器負責(zé)一個輸入通道。它們都是24位讀／寫寄存器。
第六個寄存器是滿標度校準寄存器，AD7705／7706包含幾組獨立的滿標度寄存器 ，每個滿標度寄存器負責(zé)一個輸入通道。它們都是24位讀／寫寄存器。
4 AD7705／7706的接口時序
如前所述，AD7705／7706的編程功能用片內(nèi)寄存器的設(shè)置來控制。對這些寄存器的讀／寫操作通過器件的串行接口來完成。
AD7705／7706的串行接口包含5個信號：CS、SCKL、DIN、DOUT和DRDY。DIN線用來向片內(nèi)寄存器傳送數(shù)據(jù)，而DOUT線用來訪問寄存器里的數(shù)據(jù)。SCLK是串行時鐘輸入,所有的數(shù)據(jù)傳輸都和SCLK信號有關(guān)。DRDY線作為狀態(tài)信號，以提示數(shù)據(jù)什么時候已準備好從寄存器讀數(shù)據(jù)。輸出寄存器中有新的數(shù)據(jù)時，DRDY變?yōu)榈碗娖?。CS是片選信號,用來選擇器件。圖3和圖4是AD7705／7706的接口時序圖。圖3是從AD7705／7706的輸出移位寄存器讀數(shù)據(jù)的時序圖。圖4則是向輸入移位寄存器寫入數(shù)據(jù)的時序圖。
5 AD7705／7706在智能儀器儀表中的應(yīng)用
AD7705提供雙通道、低成本、高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。由于采用Σ-△結(jié)構(gòu)實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，使得該器件在噪音環(huán)境下能免受干擾，因此它很適合于工業(yè)控制用。同時它還提供了可編程的增益放大器，數(shù)字濾波器和校準選項。因此，它提供比普通的積分ADC更多的系統(tǒng)功能，而且沒有必要有高質(zhì)量的積分電容器的缺點。
片上PGA允許AD7705處理低至10mV（滿標度）的模擬輸入電壓(VREF＝+1．25V)。器件在非緩沖模式下工作時，差分輸入使模擬輸入范圍的絕對值處于GND和VDD之間的任一值。由此器件允許將傳感器直接與AD7705的輸入端相連。下面是由本人開發(fā)的“Q－101軸瓦厚度測量儀”的具體應(yīng)用。
本測量儀是采用氣動測量原理進行測量。就是以空氣作為介質(zhì)，利用空氣流動時的特性來實現(xiàn)機械量的測量。氣動量儀按工作原理可分為流量式和壓力式兩類?！癚－101軸瓦厚度測量儀”采用的是壓力式氣動量儀，把被測量的變化轉(zhuǎn)換成空氣壓力的變化量，然后通過測量壓力信號來測量軸瓦的厚度。其原理如圖5和圖6所示。當經(jīng)過穩(wěn)壓后壓力為Pa的空氣通過進氣噴嘴，經(jīng)測量噴嘴和擋板之間的間隙逸入大氣時，背壓Px與間隙S之間的關(guān)系如圖6所示，這種背壓與間隙之間的關(guān)系是一一對應(yīng)的。系統(tǒng)組成框圖如圖7所示。首先，用壓力傳感器來測量背壓Px，然后，將傳感器輸出的差分信號送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AD7705芯片）中，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再將得到的數(shù)字量送入單片機（采用LG公司生產(chǎn)的GMS97C52單片機）進行數(shù)據(jù)處理。最后，送入顯示窗口（LED）。在設(shè)計制作中，應(yīng)注意以下問題：
由于模擬輸入和基準輸入是差分的，模擬調(diào)制器的大部分電壓都是共模電壓，AD7705／7706的良好的共模抑制性能能消除這些共模輸入信號里的共模噪聲，數(shù)字濾波器能抑制供電電源產(chǎn)生的除了調(diào)制器采樣頻率整數(shù)倍的頻率以外的寬帶噪聲。此外 ，數(shù)字濾波器還能消除模擬和基準輸入信號里的噪聲不使模擬調(diào)制器飽和。但是，由于它的分辨率太高，而要求的噪聲電平太小，所以，必須注意接地和電路布線。
AD7705／7706的印制板電路必須按規(guī)格設(shè)計，以確保模擬區(qū)和數(shù)字區(qū)分開并各自限定在電路板上的一定區(qū)域。利用接地平面可以很容易地將它們分開。因為這樣能使屏蔽性能最好。應(yīng)在一個地方將模擬和數(shù)字接地平面連接在一起，以避免出現(xiàn)接地環(huán)路。應(yīng)避免在元器件下面走數(shù)字線，因為這樣會造成片內(nèi)噪聲成倍增加。AD7705／7706的電源線應(yīng)用足夠粗的，以便降低線路阻抗，同時減少電源供電的尖峰信號的影響。時鐘信號不能在模擬輸入信號附近通過，模擬信號和數(shù)字信號之間應(yīng)避免相互交叉。所有的模擬電源都應(yīng)去耦。用10μF并聯(lián)一個0．1μF的陶瓷電容接GND去耦。
在工業(yè)過程控制、醫(yī)療器械、電子稱及多媒體等許多應(yīng)用中，對系統(tǒng)的速度、功耗及成本等性能的要求越來越高。自上世紀70年代中期以來，大多數(shù)單片模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用了積分、逐次逼近或并行比較技術(shù)，進入80年代Σ-△技術(shù)進一步擴展了選擇的余地。
Σ-△轉(zhuǎn)換器具有相對簡單的結(jié)構(gòu)，又稱為過采樣轉(zhuǎn)換器。這種轉(zhuǎn)換器由Σ-△調(diào)制器及連接于其后的數(shù)字濾波器構(gòu)成（圖1）。調(diào)制器的結(jié)構(gòu)非常近似于雙斜率ADC，包括一個積分器和一個比較器，以及含有一個1位DAC的反饋環(huán)。這個內(nèi)置的DAC僅僅是一個開關(guān)，它將積分器輸入切換到一個正或負的參考電壓Σ-△ ADC還包括一個時鐘單元，為調(diào)制器和數(shù)字濾波器提供適當?shù)亩〞r。
窄帶信號送入Σ-△ ADC后被以非常低的分辨率（1位）進行量化，但采樣頻率卻非常高，如2MHz或更高。經(jīng)數(shù)字濾波處理后這種過采樣被降低到一個比較低的采樣率 ，如8kHz左右，同時ADC的分辨率（即動態(tài)范圍）被提高到16位或更高。這種Σ-△技術(shù)在模數(shù)轉(zhuǎn)換器市場上占據(jù)了很重要的位置。它具有三個主要優(yōu)勢：
(1) 低價格、高性能
(2) 集成化的數(shù)字濾波
(3) 與DSP技術(shù)的兼容性便于實現(xiàn)系統(tǒng)集成
AD7705／7706是利用Σ-△轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)了16位無丟失代碼性能。該器件可以接受直接來自傳感器的低電平的輸入信號，然后產(chǎn)生串行的數(shù)字輸出。AD7705／7706只需2．7～3．3V或4．75～5．25V單電源。AD7705是雙通道全差分模擬輸入，而AD7706是3通道偽差分模擬輸入，二者都有一個差分基準輸入。當電源電壓為5V、基準電壓為2．5V時，這二種器件都可將輸入信號范圍從0～20mA到0～2．5V的信號進行處理。還可以處理±20mV～±2．5V的雙極性輸入信號。當電源電壓為3V、基準電壓為1．225V時，可處理0～10mV到0～1．225V的單極性輸入信號，它的雙極性輸入信號范圍是±10mV到±1．225V對于AD7705是以AIN(-)輸入端為參考點，而AD7706是COMMON輸入端。AD7705／7706是用于智能系統(tǒng)、微控制器系統(tǒng)和基于DSP系統(tǒng)的理想產(chǎn)品。其串行接口可配置為三線接口。增益值、信號極性以及更新速率的選擇可用串行輸入口由軟件來配置。該器件還包括自校準和系統(tǒng)校準選項，以消除器件本身或系統(tǒng)的增益和偏移誤差。
1 AD7705／7706的特點
(1) AD7705：2個全差分輸入通道的ADC
(2) AD7706：3個偽差分輸入通道的ADC；16位無丟失代碼；0．003%非線性
(3) 可編程增益：1～128
(4) 三線串行接口SPITM、QSPITM、MICROWIRETM和DSP兼容
(5) 有對模擬輸入緩沖能力
(6) 2．7～3．3V或4．75～5．25V工作電壓
(7) 3V電壓時，最大功耗為1mW
(8) 等待電流的最大值為8mA
(9) 16腳DIP、SOIC和TSSOP封裝
2 AD7705／7706的引腳排列及功能
AD7705／7706的引腳排列如圖2，引腳說明見表1。
3 AD7705／7706片內(nèi)寄存器
AD7705／7706包括6個用戶可通過串行口訪問的片內(nèi)寄存器。
第一個是通訊寄存器，它管理通道選擇，決定下一個操作是讀操作還是寫操作,以及下一次讀或?qū)懩囊粋€寄存器。所有與器件的通訊必須從寫通訊寄存器開始。上電或復(fù)位后，器件等待在通訊寄存器上進行一次寫操作。
第二個寄存器是設(shè)置寄存器，決定校準模式、增益設(shè)置、單／雙極性輸入以及緩沖模式。
第三個寄存器是時鐘寄存器，包括濾波器選擇位和時鐘控制位。
第四個寄存器是數(shù)據(jù)寄存器，器件輸出的數(shù)據(jù)從這個寄存器讀出。
第五個寄存器是零標度校準寄存器，AD7705／7706包含幾組獨立的零標度寄存器 ，每個零標度寄存器負責(zé)一個輸入通道。它們都是24位讀／寫寄存器。
第六個寄存器是滿標度校準寄存器，AD7705／7706包含幾組獨立的滿標度寄存器 ，每個滿標度寄存器負責(zé)一個輸入通道。它們都是24位讀／寫寄存器。
4 AD7705／7706的接口時序
如前所述，AD7705／7706的編程功能用片內(nèi)寄存器的設(shè)置來控制。對這些寄存器的讀／寫操作通過器件的串行接口來完成。
AD7705／7706的串行接口包含5個信號：CS、SCKL、DIN、DOUT和DRDY。DIN線用來向片內(nèi)寄存器傳送數(shù)據(jù)，而DOUT線用來訪問寄存器里的數(shù)據(jù)。SCLK是串行時鐘輸入,所有的數(shù)據(jù)傳輸都和SCLK信號有關(guān)。DRDY線作為狀態(tài)信號，以提示數(shù)據(jù)什么時候已準備好從寄存器讀數(shù)據(jù)。輸出寄存器中有新的數(shù)據(jù)時，DRDY變?yōu)榈碗娖?。CS是片選信號,用來選擇器件。圖3和圖4是AD7705／7706的接口時序圖。圖3是從AD7705／7706的輸出移位寄存器讀數(shù)據(jù)的時序圖。圖4則是向輸入移位寄存器寫入數(shù)據(jù)的時序圖。
5 AD7705／7706在智能儀器儀表中的應(yīng)用
AD7705提供雙通道、低成本、高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。由于采用Σ-△結(jié)構(gòu)實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，使得該器件在噪音環(huán)境下能免受干擾，因此它很適合于工業(yè)控制用。同時它還提供了可編程的增益放大器，數(shù)字濾波器和校準選項。因此，它提供比普通的積分ADC更多的系統(tǒng)功能，而且沒有必要有高質(zhì)量的積分電容器的缺點。
片上PGA允許AD7705處理低至10mV（滿標度）的模擬輸入電壓(VREF＝+1．25V)。器件在非緩沖模式下工作時，差分輸入使模擬輸入范圍的絕對值處于GND和VDD之間的任一值。由此器件允許將傳感器直接與AD7705的輸入端相連。下面是由本人開發(fā)的“Q－101軸瓦厚度測量儀”的具體應(yīng)用。
本測量儀是采用氣動測量原理進行測量。就是以空氣作為介質(zhì)，利用空氣流動時的特性來實現(xiàn)機械量的測量。氣動量儀按工作原理可分為流量式和壓力式兩類?！癚－101軸瓦厚度測量儀”采用的是壓力式氣動量儀，把被測量的變化轉(zhuǎn)換成空氣壓力的變化量，然后通過測量壓力信號來測量軸瓦的厚度。其原理如圖5和圖6所示。當經(jīng)過穩(wěn)壓后壓力為Pa的空氣通過進氣噴嘴，經(jīng)測量噴嘴和擋板之間的間隙逸入大氣時，背壓Px與間隙S之間的關(guān)系如圖6所示，這種背壓與間隙之間的關(guān)系是一一對應(yīng)的。系統(tǒng)組成框圖如圖7所示。首先，用壓力傳感器來測量背壓Px，然后，將傳感器輸出的差分信號送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AD7705芯片）中，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再將得到的數(shù)字量送入單片機（采用LG公司生產(chǎn)的GMS97C52單片機）進行數(shù)據(jù)處理。最后，送入顯示窗口（LED）。在設(shè)計制作中，應(yīng)注意以下問題：
由于模擬輸入和基準輸入是差分的，模擬調(diào)制器的大部分電壓都是共模電壓，AD7705／7706的良好的共模抑制性能能消除這些共模輸入信號里的共模噪聲，數(shù)字濾波器能抑制供電電源產(chǎn)生的除了調(diào)制器采樣頻率整數(shù)倍的頻率以外的寬帶噪聲。此外 ，數(shù)字濾波器還能消除模擬和基準輸入信號里的噪聲不使模擬調(diào)制器飽和。但是，由于它的分辨率太高，而要求的噪聲電平太小，所以，必須注意接地和電路布線。
AD7705／7706的印制板電路必須按規(guī)格設(shè)計，以確保模擬區(qū)和數(shù)字區(qū)分開并各自限定在電路板上的一定區(qū)域。利用接地平面可以很容易地將它們分開。因為這樣能使屏蔽性能最好。應(yīng)在一個地方將模擬和數(shù)字接地平面連接在一起，以避免出現(xiàn)接地環(huán)路。應(yīng)避免在元器件下面走數(shù)字線，因為這樣會造成片內(nèi)噪聲成倍增加。AD7705／7706的電源線應(yīng)用足夠粗的，以便降低線路阻抗，同時減少電源供電的尖峰信號的影響。時鐘信號不能在模擬輸入信號附近通過，模擬信號和數(shù)字信號之間應(yīng)避免相互交叉。所有的模擬電源都應(yīng)去耦。用10μF并聯(lián)一個0．1μF的陶瓷電容接GND去耦。
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