AD7794在高精度低功耗測量裝置中的應(yīng)用

1 引言

現(xiàn)代電子測量中，對測量精度有著越來越高的要求，同時(shí)，由于野外電池供電的原因，對整體電路的功耗也有著高要求。比如，在差壓式流量測量／計(jì)量中，壓力傳感器給出的信號十分微弱，這對直流放大器和ADC電路提出了很高的要求。傳統(tǒng)的精密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)穩(wěn)定性方案不能兼?zhèn)涞驮肼暋⒌推坪偷凸奶匦?，往往不得不犧牲某些性能。AD7794針對工業(yè)測量領(lǐng)域的這種特殊而義普遍的需求，采用了一種結(jié)合斬波放大電路(抑制漂移)、乏一AADC(提高精度和抑制噪聲)和低功耗的復(fù)合結(jié)構(gòu)，形成具有兼?zhèn)渖鲜鰞?yōu)秀性能的較為理想了專用器件。同時(shí)器件體積極小，便于在各種設(shè)備中使用。

本文根據(jù)作者在內(nèi)錐式智能工業(yè)燃?xì)獗淼膶?shí)際設(shè)計(jì)工作中的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7794的特點(diǎn)，并描述其使用方法。

2 AD7794的功能及技術(shù)特性

AD7794提供了儀器儀表應(yīng)用所要求的幾乎全部功能，因而減少了設(shè)計(jì)工作量并節(jié)省了許多外圍器件。AD7794具有功耗低和完全模擬輸入端子，可用在低頻信號的測量中。它克服了同類產(chǎn)品中噪聲與功耗的局限性，能夠同時(shí)提供低噪聲和低功耗特性。該系列ADC采用2．7v～5．25 v單電源供電，其全功耗消耗電流僅400 μA，同時(shí)噪聲只有40 nVrms，從而使其適合要求低功耗和高精度測量的應(yīng)用。它集成了六個(gè)差分傳感通道的24位ADC，使其非常適合要求較多通道的應(yīng)用。這六個(gè)差分通道可兩兩組合成差分信號和差分參考輸入，能有效克服共模干擾。片上還有低噪聲、低溫漂的增益級儀用放大器電路，增益可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置。另外，片上還集成了增益可調(diào)的激勵(lì)電流源和用于溫度測量的偏置電壓發(fā)生器。該芯片可以使用內(nèi)部時(shí)鐘，如果同步運(yùn)行多個(gè)芯片時(shí)還可以使用外部時(shí)鐘。采樣率也是輸出數(shù)據(jù)的速率可以通過編程在4Hz到500Hz之間調(diào)節(jié)，在某些速率下如16．6 I-h條件下能夠提供同時(shí)抑制50 Hz和60Hz干擾信號的功能。

圖1給出了AD7794的簡化結(jié)構(gòu)，它屬于∑-△調(diào)制的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，適用于窄帶與高分辨率的場合。AD7794的∑-△調(diào)制器將隨采樣的輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖串，其“1”的密度包括數(shù)字量信息。通過數(shù)字濾波和抽取后，輸出高分辨率低速率數(shù)據(jù)。∑-△調(diào)制器還具有降噪的作用，因?yàn)楦叩牟蓸勇蕦⒃肼暬讐旱?，而濾波后大多數(shù)(高端頻譜部分)噪聲被濾除。調(diào)制器的階數(shù)越高，在有用帶寬內(nèi)對噪聲抑制的作用就越明顯。但是，較高階調(diào)制器容易不穩(wěn)定。因此，必須在調(diào)節(jié)器階數(shù)與穩(wěn)定性之間進(jìn)行權(quán)衡。在窄帶∑-△模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，通常使用二階或三階調(diào)節(jié)器，這樣器件就會具有良好的穩(wěn)定性。

圖1 AD7794內(nèi)部簡化結(jié)構(gòu)模塊圖

AD7794的低噪聲儀表放大器可以工作在斬波模式，斬波器是AD7794的一個(gè)內(nèi)嵌部件，可以用于消除飄移造成的誤差。斬波器的工作原理就是在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入部件多路復(fù)用器的輸出處交替地倒相(或削波)。然后，對每次斬波的正和負(fù)信號區(qū)段進(jìn)行-_次模數(shù)轉(zhuǎn)換。接著，用數(shù)字濾波器對這兩次轉(zhuǎn)換結(jié)果取平均。這樣，就消除了模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)出現(xiàn)的任何失調(diào)誤差，更重要的是，將溫度對失調(diào)漂移的影響降到最低。

3 AD7794的應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

圖2給出了AD7794的應(yīng)用框圖。AD7794具有簡化的同步串行接口，易于和微控制器MC相連。AD7794中串行接口、ADC、斬波式儀表放大器和多通道的結(jié)構(gòu)形成了一種全ADC類型——儀(表專)用ADC。

圖2 AD7794一個(gè)通道典型應(yīng)用

其中，MSP430F1611是一款超低功耗混合信號處理器，共有一種活動模式(AM)和五種低功耗模式(LPM0～LPM4)。在待機(jī)方式下，其耗電為0．7uA；在節(jié)電方式下，最低可達(dá)0．1uA。AD7794與MSP430F1611的連接十分靈活。下面霞點(diǎn)描述典型的傳感器及調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，如圖3所示。其中AD7794有三套(參考電壓和被測電壓)六路差分輸入端，該電路可任選一套接入。

圖3 AD7794輸入電路設(shè)計(jì)

整個(gè)電路主要由傳感器電橋與信號調(diào)理電路組成，傳感器以差分方式輸m信號，即通過輸出正和輸出負(fù)兩端的電壓差值來表示。當(dāng)被測非電鼉發(fā)生變化時(shí)，會引起傳感器的電阻值發(fā)生變化，而此變化會線性的反應(yīng)在R7和R9左端的電位差(電壓)上，通過采集這個(gè)電位的差值信號就可以計(jì)算被測量及其變化。模擬的傳感器信號通過AD7794一AIN+和AD7794_AIN一差分端口送到AD7794進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。在實(shí)際使用的過程中，有可能輸入的模擬信號電J丘受到干擾而有較大范圍的波動，如果直接將傳感器上的信號接入到AD，則在極端情況下，如瞬態(tài)靜電高壓，就有可能造成對AD7794永久性的損壞。因此，電路中采用二極管D1、D2、D3和D4使輸入信號被鉗制在一個(gè)安全的范圍之內(nèi)，從而起到過壓(包括正和負(fù))保護(hù)的作用。電阻R7、R8、R9和R10作為限流電阻使用(其阻值對于信號而言幾乎沒有影響)，進(jìn)一步保護(hù)了后級電路。cl和C2能有效地濾除進(jìn)入電路的射頻干擾，對靠近電臺的地區(qū)使用特別有效。

AD7794的參考電壓可取自內(nèi)部，也可取A于外部。但是當(dāng)測量外部電橋信號時(shí)，使用外部參考電壓比較有效，所以在本電路中使用了外部參考。當(dāng)使用AD7794在測量微小信號的時(shí)候．就會用到片內(nèi)低噪聲儀表放大器，這樣可以有效地降低外部噪聲的干擾，比如說，當(dāng)內(nèi)部放大器的增益為64時(shí)，所引入的噪聲典型有效值只有40nV。但是當(dāng)運(yùn)放的增益大于等于4的時(shí)候，其共模電壓不能夠太低，否則會使運(yùn)放的特性變壞。根據(jù)需要，當(dāng)AD7794工作與斬波模式時(shí)，輸入共模電壓((AD7794 )+( 一))必須大于． ，這樣才_AIN+ AD7794 AIN ／2 0 5V能保證輸入信號的動態(tài)范隔；并且，當(dāng)使用內(nèi)部放大器時(shí)，如果所使用的外部參考電壓VREF接近模擬電源AVDD時(shí)，則實(shí)際輸入的模擬信號值不能超過(Vr。lgain)的90％，否則AD在輸入信號的高低兩端的線性度會變差。為了很好的解決這個(gè)問題，在本電路中使用了R6和R12，這樣可以使AD7794的參考電壓AD7794．REF+和AD7794 REF一不至于接近模擬電源的極限電壓。整個(gè)電路采用橋式輸入，這樣，在外接電源在小范圍內(nèi)有波動的時(shí)候，可以保證實(shí)際加入到放大器的差值電壓和輸入的參考電壓不受外界的影響。

AD7794采用偏移二進(jìn)制編碼，當(dāng)使用單極性信號時(shí)(Ain+ - Ain > 0)，其輸入電壓與輸出數(shù)據(jù)的關(guān)系為：

這個(gè)D直接代表了被測量。這里，G為總增益。(REF+ - REF-)為差分參考電壓，(Ain+ - Ain-)為輸入差壓信號。

而當(dāng)使用雙極性信號時(shí)(REF>Ain+ - Ain>0如或0>Ain+ - Ain>-REF，輸出特性變?yōu)椋?/p>

要用外部參考電壓時(shí)，由于R5、R7、R11可以忽略，因此有：

在理想傳感器中，

R為測量電橋的總電阻，也即橋臂電阻，靜態(tài)時(shí)R1=R2=R3=R4=R，為測量時(shí)的每臂電阻變化量?？梢?，使用外部參考電壓(同時(shí)做為傳感器電壓激勵(lì))時(shí)，ADC輸出數(shù)據(jù)與傳感器變化，即與被測量直接相關(guān)，與參考電壓的實(shí)際值無關(guān)!這就對參考電，愛的穩(wěn)定性要求大大降低了。當(dāng)然，參考電瓜要符合ADC的量值要求，并且，在一次測量(轉(zhuǎn)換)中仍然要求不變(短期穩(wěn)定即可)。

整個(gè)系統(tǒng)適用于高精度低功耗要求的場合。在這里，給整個(gè)電橋提供激勵(lì)的電壓也即參考電壓取自MSP430F1611的DAC輸出端。這樣做，既可以保證所加電壓的精度和穩(wěn)定性，又可以在不需要測量信號的時(shí)候，可以隨時(shí)關(guān)閉給電橋的供電。當(dāng)MSP430微處理器進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)，也可以使整個(gè)系統(tǒng)的芯片連同電路一起處于一個(gè)休眠狀態(tài)，這樣可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。

4 AD7794的實(shí)驗(yàn)和實(shí)測效果

為了模擬出實(shí)際AD7794的使用場合，將圖3中的R1、R2、R3、R4全部用電阻箱代替，電阻箱的精度和分辨率為0．1歐姆。實(shí)際測試中，使用的電阻變化量為1歐姆。在測試過程中，Rl、R4作為一組，而R2、R3作為一組，兩組阻值分別向不間的方向變化，即一組調(diào)大．而另一組調(diào)小，以此來模擬傳感器上的壓差變化，然后將實(shí)測數(shù)據(jù)繪成曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果示于下圖．其中，縱軸為實(shí)測的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，橫軸為壓差變化率，即(V+-Vv)／(VRF+-VREF_)。

由圖4可以看出，整個(gè)AD7794的表現(xiàn)效果令人滿意，整個(gè)AD轉(zhuǎn)換結(jié)果與實(shí)際輸入的信號成線性變化，而實(shí)測的最大線性誤差小于l‰。

5 結(jié)論

該系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于低功耗燃?xì)庥?jì)量裝置中，并穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。與傳統(tǒng)方案比較，本系統(tǒng)精度高、功耗小、抗干擾能力強(qiáng)，易于調(diào)試，體積小，適合于手持、野外、太陽能供電等多種應(yīng)用場合。這種方法可以推廣應(yīng)用到低頻、緩變等信號的廣泛工業(yè)測量應(yīng)用中。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：提出了基于AD7794的高精度超低功耗測量計(jì)量裝置的設(shè)計(jì)原理和方法，并以給出了具體的硬件電路，為進(jìn)一步開發(fā)其它類型的測量裝置提供了一定的參考作用。

發(fā)布者：小宇