AD7793在高精度溫控設(shè)備中的應(yīng)用

摘要：文章介紹了∑-△型ADC轉(zhuǎn)換器AD7793的特點、工作原理和應(yīng)用，其中包括ADC的接口電路設(shè)計、PCB設(shè)計以及MCU通過SPI接口對AD7793進行初始化配置等，同時給出了溫控設(shè)備的實測結(jié)果。
關(guān)鍵詞：ADC；AD7793；MCU；SPI；高精度溫控

0 引言
    溫度控制技術(shù)已成為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)研究、航空航天和人們生活等各活動中很重要的一個環(huán)節(jié)，特別是在科學(xué)研究、航空航天、生物醫(yī)藥、精密儀器等領(lǐng)域?qū)囟瓤刂凭鹊囊髽O高，有時是極其苛刻的。高精度溫控儀基于PT1000、MCU、AD7793和OPA548作為核心芯片，具有精度高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、穩(wěn)定性好，成本低廉的特點。本文介紹了AD7793芯片的特點、工作原理和在我們研制的高精度溫控設(shè)備中的應(yīng)用。

1 AD7793芯片的特點
    AD7793的內(nèi)部框圖如圖1所示，具有以下特點。1)轉(zhuǎn)換精度高，24位數(shù)據(jù)輸出；2)芯片集成度高，它內(nèi)置24位∑-△調(diào)制器、緩沖器、基準電壓源、恒流源、儀表放大器和片內(nèi)數(shù)字濾波器；3)3個差分模擬輸入通道，可以被配置為緩沖模式或無緩沖模式；4)接口電路要求低，可以直接接收來自應(yīng)變器或傳感器的模擬量輸入。5)分辨率高、噪聲很低，因此對于前端的抗混疊濾波器的要求也大大降低，一個簡單的RC低通濾波器就足夠了；6)該芯片具有自校準、系統(tǒng)校準功能，可以消除零點誤差、滿量程誤差及溫度漂移的影響。7)三線式SPI接口，通過MCU靈活控制和配置AD7793片內(nèi)寄存器，實現(xiàn)對AD7793芯片的控制。

2 AD7793芯片的工作原理
    AD7793采用∑-△調(diào)制技術(shù)，與雙積分式的ADC比較，有很高的分辨率和精度。在工作時，AD7793以一定的速率對模擬輸入信號連續(xù)采樣，采樣速率受系統(tǒng)時鐘的控制。采樣信號經(jīng)BUF、PGA放大，使其輸出電平滿足電荷平衡ADC的要求，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖序列，該序列經(jīng)數(shù)字濾波器處理后，以確定的速率更新數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)。數(shù)字濾波器的主要作用是抑制串模干擾，不同的更新速率下，AD7793所選擇的數(shù)字濾波器也略有不同。數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)可以從SPI接口隨機讀出。

3 AD7793芯片的應(yīng)用
    AD7793的接口電路如圖2所示。根據(jù)系統(tǒng)的測量精度和控制精度要求，選擇了RTD傳感器PT1000作為測溫傳感器。PT1000具有良好的長期穩(wěn)定性、線性度好、響應(yīng)時間快，測試電流在允許值范圍內(nèi)，自熱系數(shù)小，滿足系統(tǒng)的技術(shù)要求。PT1000傳感器對溫度的變化輸出一般是微伏級的微弱信號，但AD7793具有完整的模擬前端功能，內(nèi)部集成了低噪聲儀表放大器，且可以設(shè)置增益，因而可以直接輸入測量傳感器輸出的微弱信號，輸入信號通過低通濾波后進入AD7793的A／D輸入端。

    RTD傳感器PT1000電阻接線主要有三種方式：二線制、三線制和四線制。它們的主要區(qū)別在于，由于引線電阻的存在，則不同的測溫方式得到的測量精度不同，應(yīng)視使用場合的要求高低而定。二線制精度較低，無法消除線路電阻的影響，環(huán)境溫度的變化對其影響很大，近距離可以使用；三線制是工業(yè)應(yīng)用中的主流，多一根線主要消除導(dǎo)線電阻的影響，采用惠斯頓平衡電橋，適合遠距離傳輸。四線制應(yīng)用較少，但精度高，能補償由導(dǎo)線引起的誤差，在高精度測量中廣泛應(yīng)用。在本設(shè)備中采用四線制測溫的方式，可以完全消除引線電阻所引起的誤差，滿足高精度測量的要求。
    對于AD7793的∑-△ADC來講，參考源的選擇必須滿足低噪聲、溫漂小的要求。雖然已經(jīng)內(nèi)置了電壓參考源，無需外接參考源，但為了滿足高精度測量的要求，使用了高精度標準參考電阻(0．2ppm)，采用比例測量法，應(yīng)用這種方法，激勵源中的噪聲會被抵消掉。

4 AD7793芯片在使用中應(yīng)注意的問題
4．1 PCB布局
    ∑-△型ADC具有非常高的分辨率以及極低的噪聲，因此PCB的布局布線對于實現(xiàn)ADC的高性能有非常大的影響。在PCB的布線中需要注意以下方面：
    (1)電源：如果可能，盡量使用單獨的模擬電源和單獨的數(shù)字電源。而且模擬部分的電源要使用線性電源。如果使用單電源給AVDD和DVDD供電，AVDD和DVDD之間應(yīng)用磁珠進行隔離。在所有的AVDD的管腳要用0．1 μF和10 μF進行去耦到模擬地上，所有數(shù)字電源管腳要用0．1 μF進行去耦，接到數(shù)字地上。電源線在PCB上要走盡量寬的線。
    (2)地：系統(tǒng)要分為模擬地和數(shù)字地兩部分，模擬地和數(shù)字地都要是大面積的地平面。ADC芯片本身模擬管腳與數(shù)字管腳都物理上分隔開了，因此ADC可以跨在模擬地平面和數(shù)字地平面的中間，ADC的AGND管腳要接到系統(tǒng)模擬地，ADC的DGND管腳要接到系統(tǒng)數(shù)字地。模擬地和數(shù)字地最終在ADC的附近進行一點相接，這樣更能有效降低接地阻抗和噪聲系數(shù)。
    (3)信號：模擬輸入信號線線條要寬、采用最短路徑靠近AD7793模擬輸入端口。信號的模擬部分和數(shù)字部分要分開，模擬信號線和數(shù)字信號線也要分開，模擬信號線和數(shù)字信號線不要穿插，在芯片下面避免走數(shù)字信號。
4．2 軟件配置
    MCU通過SPI接口對AD7793進行初始化配置，順序如下：
    (1)復(fù)位：由于上電期間的任何毛刺電壓可能會破壞寄存器，因此建議在初始化程序中執(zhí)行復(fù)位，即將32個1寫入AD7793進行復(fù)位。復(fù)位后，SPI串行接口、片內(nèi)寄存器都進入到默認狀況，便可針對應(yīng)用配置器件。
    (2)配置：復(fù)位后即可對片內(nèi)寄存器進行配置。首先寫模式寄存器，設(shè)置工作模式、輸出數(shù)據(jù)速率和時鐘源：然后寫配置寄存器，設(shè)置極性、增益、基準源、緩沖和通道；最后寫IO寄存器，設(shè)置電流源和大小。
    (3)校準：配置后，便可以啟動校準程序，進行內(nèi)部校準和系統(tǒng)校準。在校準時，對失調(diào)寄存器和滿量程寄存器寫操作時，AD7793必須處于空閑或省電模式。

5 溫控實測結(jié)果
    當設(shè)置的溫度發(fā)生變化時，溫控儀能通過AD7793根據(jù)得到當前實時溫度，計算出誤差信號，利用PID(比例-積分-微分)計算出合適的控制量，通過PWM技術(shù)控制功率放大器，對系統(tǒng)進行控制，獲得滿意的預(yù)期溫控目標。在我們研制的高精度溫控設(shè)備中，溫度設(shè)置值與溫度實際對比結(jié)果如表1所示，溫控范圍要求在40～55℃之間。

6 結(jié)束語
    在我們的研究過程中，得到如下經(jīng)驗：通過內(nèi)部校準和系統(tǒng)校準可消除零點誤差、滿量程誤差及溫度漂移的影響；四線制恒流源驅(qū)動Pt1000鉑電阻，有效克服了導(dǎo)線電阻和自熱效應(yīng)對測量精度的影響；采用PID、PWM技術(shù)大大提高了溫控精度和穩(wěn)定度，使得整機的溫控誤差優(yōu)于0．1℃。