基于AD7714的高精度隔離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
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在高精度及多路采樣設(shè)備中，A／D芯片選用的恰當(dāng)與否對(duì)系統(tǒng)整體性能的表現(xiàn)好壞非常關(guān)鍵。目前，由于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)信號(hào)采集前向通道的器件要求也不斷提高，特別是對(duì)器件的采樣分辨率、采樣速度以及采樣通道數(shù)等參數(shù)的要求越來(lái)越嚴(yán)格。
本系統(tǒng)測(cè)量采用極化繼電器的力臂控制盒儀器設(shè)計(jì)，需要測(cè)量的數(shù)據(jù)變化范圍大，精度要求高，測(cè)量的通道數(shù)多。同時(shí)，由于本系統(tǒng)測(cè)量電路相對(duì)復(fù)雜，各信號(hào)間容易產(chǎn)生干擾，而高速運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)信號(hào)產(chǎn)生的干擾將會(huì)使系統(tǒng)癱瘓。針對(duì)上述情況，筆者采用多路輸入、高精度的A／D轉(zhuǎn)換器AD7714，與MCU之間的通信采用光電隔離技術(shù)。
1 AD7714的基本情況
AD7714是一個(gè)完整的用于低頻測(cè)量應(yīng)用場(chǎng)合的模擬前端。它的3線(xiàn)串行接口與SPI、QSPI、MICROWEIR兼容。通過(guò)軟件可對(duì)增益設(shè)定、信號(hào)極性和通道選擇作出配置。AD7714的主要特點(diǎn)如下：
◇最高可實(shí)現(xiàn)24位無(wú)誤碼輸出，同時(shí)保證0．0015％的非線(xiàn)性度；
◇具有前端增益可編程放大器，增益值為1～128，內(nèi)含可編程低通濾波器和可讀寫(xiě)系統(tǒng)校準(zhǔn)系數(shù)；
◇有5通道輸入，可根據(jù)需要采用3路差分輸入或5路準(zhǔn)差分輸入；
◇低噪聲(<150 nV rms)；
◇低功耗，典型電流值為226μA(省電模式僅為4 μA)；
◇采用單5 V供電(AD7714-5)或單3 V供電(AD7714-3)方式。
AD7714提供24腳DIP、SOIC、TSSOP及28腳SSOP封裝。其引腳功能如圖1所示(以24DIP封裝為例)。AD7714的功能方框圖如圖2所示。
2 系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用
2.1 AD7714外圍接口配置
POL時(shí)鐘極性。輸入低電平時(shí)，數(shù)據(jù)傳送操作中串行時(shí)鐘的第1個(gè)跳變是從低電平至高電平。輸入高電平時(shí)，數(shù)據(jù)傳送操作中串行時(shí)鐘的第1個(gè)跳變是從高電平至低電平。
RESET邏輯輸入端。低電平有效輸入，它把器件的控制邏輯、接口邏輯、數(shù)字濾波器以及模擬調(diào)制器復(fù)位到上電狀態(tài)。本系統(tǒng)是通過(guò)在DIN輸入端寫(xiě)入一系列的1來(lái)進(jìn)行軟件復(fù)位，使AD7714返回到等待對(duì)通信寄存器進(jìn)行寫(xiě)操作的狀態(tài)。
用軟件進(jìn)行復(fù)位需要注意兩點(diǎn)：一是AD7714的DIN線(xiàn)寫(xiě)邏輯1至少達(dá)32個(gè)串行時(shí)鐘周期；二是寫(xiě)到任何寄存器的信息是未知的，因而要再次設(shè)置所有的寄存器。
CS芯片選擇。用于選擇AD7714的低電平有效邏輯輸入端。當(dāng)此輸入端由硬件連線(xiàn)設(shè)置為低電平時(shí)，AD7714工作在其3線(xiàn)接口模式。
SYNCL邏輯輸入端。當(dāng)使用多個(gè)AD7714時(shí)，它用于數(shù)字濾波器和模擬調(diào)制器的同步。
2.2 AD7714與MCU的接口
AD7714與MCU之間的接口關(guān)系如圖3所示，圖3中給出了輸入和輸出的電路轉(zhuǎn)換。為了能夠獲得穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，AD7714與MCU之間加入光隔離器。光隔離器件采用的是隔離電壓高、速度快、共模抑制性強(qiáng)的6N137。由于6N137的速度快，編程中不需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)难訒r(shí)就能滿(mǎn)足光隔離器的電平建立時(shí)間。試驗(yàn)表明通過(guò)光隔離器，獲得的穩(wěn)定數(shù)據(jù)能夠增加3～4位(二進(jìn)制位)。
AD7714的CS接地，使AD7714始終工作在SPI接口模式。對(duì)每個(gè)接口模塊的控制是通過(guò)74LSl25的三態(tài)允許端來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)其中一個(gè)SPI接口操作時(shí)，使其74LSl25處于選通狀態(tài)，而其他SPI接口的74LSl25處于高阻狀態(tài)。這樣可實(shí)現(xiàn)微處理器單獨(dú)對(duì)一個(gè)接口進(jìn)行操作，而不影響其他接口。CPU通過(guò)對(duì)三態(tài)緩沖器74LSl25控制，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)接口共用相同的數(shù)據(jù)線(xiàn)。圖3中的DA-CS是控制具有SPI總線(xiàn)的D／A轉(zhuǎn)換器芯片。
6N137外部元件電阻根據(jù)自己的實(shí)際情況來(lái)選取，即不宜過(guò)大也不宜過(guò)小。為了增加穩(wěn)定性，最好在電阻的兩端并上電解電容。
2.3基準(zhǔn)電壓源AD780
高精度參考電壓源AD780為AD7714提供基準(zhǔn)電壓。其基本特性：通過(guò)8腳的懸空或接地，可實(shí)現(xiàn)2．5 V或3．0 V的輸出；輸出電壓范圍在2．5 V±1 mV或3．0 v±l mV；輸入電壓范圍可從4～36 V來(lái)實(shí)現(xiàn)2．5 V或3．0V的輸出。
在使用AD780作基準(zhǔn)電壓源時(shí)，其周?chē)碾娙菀欢ㄒ凑請(qǐng)D4上所給的進(jìn)行配置，否則，輸出的精度會(huì)下降很多。特別要注意AD780輸出端和地的100μF電容，試驗(yàn)表明這個(gè)電容可以使系統(tǒng)的精度提高2～3位(二進(jìn)制位)。
2.4 AD7714的模擬前端
在模擬前端所要測(cè)量的電流和電壓很多，并且變化范圍很大。為了能夠提高測(cè)量精度，必須根據(jù)電壓和電流的大小來(lái)設(shè)計(jì)合理的電壓表和電流表。在圖5中，通過(guò)合理的選取R1和R2的阻值以及使其短路或開(kāi)路，來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓表和電流表。
設(shè)計(jì)電流表時(shí)，將R1短路，選取相應(yīng)的R2電阻，R2的電阻是通過(guò)AD7714最大輸入電壓以及所要測(cè)量的最大電流來(lái)計(jì)算的。設(shè)計(jì)電壓表時(shí)，如果測(cè)量的電壓在AD7714輸入電壓范圍內(nèi)，將Rl短路，R2開(kāi)路直接測(cè)量；如果測(cè)量的電壓超過(guò)AD7714輸入電壓的范圍，合理的選取R1和R2阻值分壓，來(lái)滿(mǎn)足測(cè)量的要求。
AD7714的輸人通道由AIN(+)和AIN(一)成對(duì)排列，AIN(+)輸入端上單極性和雙極性信號(hào)作為基準(zhǔn)的電壓是各自AIN(一)輸入端上的電壓。例如，如果開(kāi)關(guān)SW在圖5中的位置，即AIN(+)接入AD780輸出電壓+2．5 V，AD7714配置為單極性，若設(shè)定增益為2，那么AIN(+)輸入電壓范圍為+2．5～+3．75 V。如果在相同的配置下，改為雙極性，那么AIN(+)輸入電壓范圍為+1．25～+3．75 V(即2．5士1．25 V)。如果通過(guò)SW開(kāi)關(guān)使其AIN(一)為AGND，那么器件不能配置為超過(guò)±30 mV的雙極性范圍。
如果外部電壓和電流有很大干擾，測(cè)量的精度就會(huì)受到很大影響。在AD7714的每個(gè)模擬輸入端都加上一個(gè)對(duì)地電容(如圖5中C1和C2)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明對(duì)其精度有很大提高。電容的選取要根據(jù)自己的轉(zhuǎn)換速率以及外部的干擾來(lái)選取。
2.5 LDC5-24S5電源模塊
外部所能提供的電源是27 V，由于電源穩(wěn)定性差以及來(lái)自外部的干擾會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作，同時(shí)筆者所需的電源工作電壓為單+5 V。因此，選用了LDC5-24S5直流一直流開(kāi)關(guān)電源模塊，其輸入電壓范圍為18～36 V直流電壓，輸出為單+5 V。該電源模塊有很好的DC-DC隔離作用，輸出電壓很穩(wěn)定，用它可直接作為AD7714的電源，從而簡(jiǎn)化了整個(gè)電路。
3 實(shí)際使用中的問(wèn)題和解決方法
3.1 如何濾除模擬輸入端的干擾
AD7714的模擬輸入端可以接受單極性或雙極性的輸入電壓范圍。雙極性輸入范圍并不意味著器件在模擬輸入端可以處理負(fù)電壓。為了確保器件的正常工作，模擬輸入不能變到比一30 mV更低。本系統(tǒng)需要測(cè)試的電壓有一個(gè)是27 V，它由帶有高速電機(jī)的設(shè)備輸出。如不加處理直接進(jìn)行測(cè)試，由電機(jī)產(chǎn)生的過(guò)低負(fù)脈沖或過(guò)高正脈沖都會(huì)影響AD7714的正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)永久性損壞AD7714芯片。筆者通過(guò)大量的分析和試驗(yàn)，得出了如圖6所示的理想濾除脈沖的電路圖。其中LI和I.2是用雙孔磁芯纏繞而成，C3的大小根據(jù)自己測(cè)量的實(shí)際情況來(lái)定。
3.2如何制作印制板和元件裝接
為了使ADC獲得最佳的性能，必須使用模擬地和數(shù)字地分開(kāi)的印制電路板。在印制電路板的設(shè)計(jì)中，特別要注意地線(xiàn)的布置。通常把模擬地和數(shù)字地獨(dú)立設(shè)置在各自電路中，然后把模擬地和數(shù)字地連到一點(diǎn)(星號(hào)標(biāo)志)。
在系統(tǒng)中，2片AD7714設(shè)計(jì)成2個(gè)獨(dú)立電路板，那么可把該片的AGND和DGND引腳一起連到地平面。如果系統(tǒng)中有多片AD7714，那么可把多塊芯片的AGND和DGND引腳相連，而后連到一個(gè)公共點(diǎn)，而這個(gè)公共點(diǎn)應(yīng)盡量靠近AD7714的星形地。
數(shù)字地嚴(yán)禁設(shè)計(jì)在芯片下面，因?yàn)檫@樣會(huì)把噪聲耦合給芯片，從而影響ADC正常工作。但是應(yīng)當(dāng)使模擬地在芯片下面運(yùn)行，因?yàn)檫@樣能減少數(shù)字噪聲的耦合。AD7714的電源引腳輸入線(xiàn)應(yīng)盡可能寬，以提供一個(gè)低阻抗通道，從而降低電源線(xiàn)上脈沖的影響。
由于AD7714是高分辨率的ADC，因而電源的耦合電路尤為重要。因此在印制電路板設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)所有的模擬電源輸入都加一級(jí)去耦電路，即用10μF鉭電容和0．1μF陶瓷電容并聯(lián)到地。這些去耦電路的元件應(yīng)盡可能靠近芯片的電源引腳，這樣才能獲得更好的去耦效果和消除引線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)而帶來(lái)的干擾。
3.3如何從AD7714獲取更多的穩(wěn)定數(shù)據(jù)位
在滿(mǎn)足整個(gè)系統(tǒng)需要的前提下，應(yīng)盡量降低單片機(jī)的工作頻率，這樣可以獲取更多的穩(wěn)定數(shù)據(jù)位。在印制板采取良好的抗干擾措施前提下，如果干擾仍然比較嚴(yán)重，那么軟件上也應(yīng)采取相應(yīng)的措施，比如采用軟件冗余技術(shù)進(jìn)行相同命令的多次寫(xiě)入，以保證可靠操作。
4 編程要點(diǎn)及相關(guān)的子程序
4. 1 編程要點(diǎn)和注意事項(xiàng)
①AD7714具有8個(gè)片內(nèi)寄存器，通過(guò)對(duì)片內(nèi)寄存器的編程，可以實(shí)現(xiàn)通道選擇、增益選擇、濾波頻率選擇、轉(zhuǎn)換周期選擇、自動(dòng)校準(zhǔn)和A／D轉(zhuǎn)換等功能。對(duì)AD7714的任何一種操作，必須首先對(duì)通信寄存器寫(xiě)入相應(yīng)代碼，然后才能對(duì)其他寄存器讀寫(xiě)，RS2、RSl和RS0對(duì)8個(gè)片內(nèi)寄存器選擇的關(guān)系如表1所列。
②讀A／D數(shù)據(jù)時(shí)，A／D首先輸出數(shù)據(jù)最高位，最后是數(shù)據(jù)最低位；在對(duì)A／D內(nèi)部寄存器進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，也應(yīng)首先寫(xiě)人最高位，最后寫(xiě)入最低位。
③校準(zhǔn)寄存器和數(shù)據(jù)寄存器是16位或24位寄存器。對(duì)于8位微處理器來(lái)說(shuō)，16位或24位寄存器數(shù)據(jù)，需要分2個(gè)字節(jié)或3個(gè)字節(jié)進(jìn)行讀寫(xiě)操作。
④AD7714的串行接口具有僅用3條線(xiàn)工作的能力，它與SPI接口協(xié)議相兼容。A157714數(shù)字輸入的上升和下降時(shí)間(特別是SCLK輸入)應(yīng)當(dāng)不長(zhǎng)于1μs。
4.2有關(guān)AD7714子程序
①初始化子程序。
CLR AD_CS ；選通74LS125
MOV A，#24H； ；寫(xiě)通信寄存器
LCALL W_7714
MOV A，#4FH ；寫(xiě)濾波器高寄存器
LCALL W7714
MOV A，#34H； ；寫(xiě)通信寄存器
LCALL W_7714
MOV A，#0AOH ；寫(xiě)濾波器低寄存器
LCALL W_7714
MOV A，#14H ；寫(xiě)通信寄存器
LCALL W_7714
MOV A，#20H ；寫(xiě)模式寄存器
LCALL W_7714
RET
②讀數(shù)據(jù)子程序。
LCALL DELAY ；延時(shí)10 ms
JB DRDY，POLL ；判斷是否有新的數(shù)據(jù)
MOV A,#5CH ；寫(xiě)通信寄存器
LCALL W 7714
LCALL R7714
MOV 62H，A ；讀數(shù)據(jù)寄存器的高8位寄存到62H
LCALL R_7714
MOV 61H，A ；讀數(shù)據(jù)寄存器的中間8位寄存到61H
LCALL R 7714
MOV 60H，A ；讀數(shù)據(jù)寄存器的低8位寄存到60H
RET
③寫(xiě)字節(jié)子程序。
MOV R4．08H
WOUT74： CLR SCK
NOP
RLC A
MOV SI，C
NOF
SETB SCK
NOF
DJNZ R4．WOUT74
RET
④讀字節(jié)子程序。
MOV R4，#08H
RIN74： CLR SCK
NOP
MOV C,SO
NOP
RLC A
SETB SCK
NOP
DJNZ R4，RIN74
RET
結(jié)語(yǔ)
本系統(tǒng)所介紹的技術(shù)已在電氣檢測(cè)平臺(tái)和力臂控制盒原位檢查儀中得到了應(yīng)用，它不但提高了系統(tǒng)抗干擾性和數(shù)據(jù)的測(cè)量精度，而且由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單也給維護(hù)帶來(lái)了方便。
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