16位Σ-Δ A/D轉(zhuǎn)換器AD7705與微控制器的接口設(shè)計(jì)

　　摘要：介紹了16位Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換器AD7705的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用，并舉例說明這種串行輸入/輸出的A/D轉(zhuǎn)換器與微控制器的一般接口方式，指出了微控制器對(duì)AD7705片內(nèi)寄存器編程的關(guān)鍵，并且給出了數(shù)據(jù)手冊(cè)中沒有的C51接口讀寫程序。?

    關(guān)鍵詞：Σ-Δ  A/D轉(zhuǎn)換器 數(shù)字濾波器 增益可編程放大器

　　AD7705是 AD公司新推出的16位Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換器。器件包括由緩沖器和增益可編程放大器(PGA)組成的前端模擬調(diào)節(jié)電路，Σ-Δ調(diào)制器，可編程數(shù)字濾波器等部件。能直接將傳感器測(cè)量到的多路微小信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。這種器件還具有高分辨率、寬動(dòng)態(tài)范圍、自校準(zhǔn)、優(yōu)良的抗噪聲性能以及低電壓低功耗等特點(diǎn)，非常適合儀表測(cè)量、工業(yè)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用。它采用三線串行接口,有兩個(gè)全差分輸入通道,能達(dá)到0.003%非線性的16位無誤碼數(shù)據(jù)輸出，其增益和數(shù)據(jù)輸出更新率均可編程設(shè)定，還可選擇輸入模擬緩沖器，以及自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)方式。工作電壓3 V或5 V。3 V電壓時(shí)，最大功耗為1 mW，等待模式下電源電流僅為8 μA。?　

　　1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

?  AD7705是完整的16位A/D轉(zhuǎn)換器。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1。若外接晶體振蕩器、精密基準(zhǔn)源和少量去耦電容，即可連續(xù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。它采用了成本較低但能獲得極高分辨率的Σ-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)，可以獲得16位無誤碼數(shù)據(jù)輸出。這一點(diǎn)非常符合對(duì)分辨率要求較高但對(duì)轉(zhuǎn)換數(shù)字要求不高的應(yīng)用，例如數(shù)字音頻產(chǎn)品和智能儀器儀表產(chǎn)品等。下面對(duì)該器件幾個(gè)重要部分和特性作簡(jiǎn)要說明。?

    增益可編程放大器AD7705包括兩個(gè)全差分模擬輸入通道。片內(nèi)的增益可編程放大器PGA可選擇1、2、4、8、16、32、64、128八種增益之一，能將不同擺幅范圍的各類輸入信號(hào)放大到接近A/D轉(zhuǎn)換器的滿標(biāo)度電壓再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，這樣有利于提高轉(zhuǎn)換質(zhì)量。當(dāng)電源電壓為5 V，基準(zhǔn)電壓為2.5 V時(shí)，器件可直接接受從0～20 mV至0～2.5 V擺幅范圍的單極性信號(hào)和從0～±20 mV至0～±2.5 V范圍的雙極性信號(hào)。必須指出：這里的負(fù)極性電壓是相對(duì)AIN(－)引腳而言的，這兩個(gè)引腳應(yīng)偏置到恰當(dāng)?shù)恼娢簧?。在器件的任何引腳施加相對(duì)于GND為負(fù)電壓的信號(hào)是不允許的。輸入的模擬信號(hào)被A/D轉(zhuǎn)換器連續(xù)采樣，采樣頻率fS由主時(shí)鐘頻率fCLK和選定的增益決定。增益（16～128）是通過多重采樣并利用基準(zhǔn)電容與輸入電容的比值共同得到的。

　　數(shù)字濾波和輸出更新速率模擬信號(hào)由Σ-Δ調(diào)制器變換為占空比被模擬電壓調(diào)制(調(diào)寬)的數(shù)字脈沖串，然后在片內(nèi)使用低通數(shù)字濾波器將其解釋成16位二進(jìn)制數(shù)碼并濾去噪聲，以完成A/D轉(zhuǎn)換。AD7705采用一個(gè)(sinNx/sinx)3?函數(shù)低通數(shù)字濾波器，其振幅頻率特性如下：

　　 式中：N為調(diào)制速率與輸出更新速率之比。
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    需要指出器件產(chǎn)生的噪聲源主要來自半導(dǎo)體噪聲和量化噪聲，PGA放大量和濾波器第一凹口頻率越低，則輸出的半導(dǎo)體噪聲和量化噪聲越小，A/D轉(zhuǎn)換器的實(shí)際分辨率越高。

  ?校準(zhǔn)和自校準(zhǔn)為提高A/D轉(zhuǎn)換質(zhì)量，AD7705提供自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)兩種功能選擇。每當(dāng)環(huán)境溫度和工作電壓發(fā)生變化，或者器件的工作狀態(tài)改變?nèi)巛斎胪ǖ狼袚Q、增益或數(shù)字濾波器第一凹口頻率變動(dòng)、信號(hào)輸入范圍變化等任一項(xiàng)發(fā)生時(shí)，必須進(jìn)行一次校準(zhǔn)。對(duì)于自校準(zhǔn)方式，校準(zhǔn)過程在器件內(nèi)部一次完成。AD7705內(nèi)部設(shè)置AIN(+)端和AIN(－)端為相同的偏置電壓，以校準(zhǔn)零標(biāo)度；滿標(biāo)度校準(zhǔn)是在一內(nèi)部產(chǎn)生的VREF電壓和選定的增益條件下進(jìn)行的。系統(tǒng)校準(zhǔn)則是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)增益誤差和偏移誤差，包括器件內(nèi)部誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。在選定的增益下，先后在外部給AIN(+)端施加零標(biāo)度電壓和滿標(biāo)度電壓，先校準(zhǔn)零標(biāo)度點(diǎn)，然后校準(zhǔn)滿標(biāo)度點(diǎn)。根據(jù)零標(biāo)度和滿標(biāo)度的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，片內(nèi)的微控制器計(jì)算出轉(zhuǎn)換器的輸入輸出轉(zhuǎn)換函數(shù)的偏移和增益斜率，對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

    數(shù)字接口AD7705的串行數(shù)據(jù)接口包括5個(gè)接口，其中片選輸入CS、串行時(shí)鐘輸入SCLK、數(shù)據(jù)輸入DIN、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出口DOUT用于傳輸數(shù)據(jù)，狀態(tài)信號(hào)輸出口 用于指示什么時(shí)候輸出數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒。當(dāng) 為低電平時(shí)，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)可用；當(dāng) 為高電平時(shí)，輸出寄存器正在更新數(shù)據(jù)，不能讀取數(shù)據(jù)。器件的A/D轉(zhuǎn)換過程是按設(shè)定的數(shù)據(jù)輸出更新速率連續(xù)進(jìn)行的。任何操作都需要對(duì)相應(yīng)片內(nèi)寄存器送入新的編程指令。

    片內(nèi)寄存器AD7705包括8個(gè)寄存器，均通過器件串行口訪問。第一個(gè)是通信寄存器，它的內(nèi)容決定下一次操作是對(duì)哪一個(gè)寄存器進(jìn)行讀操作還是寫操作，并控制對(duì)哪一個(gè)輸入通道進(jìn)行采樣。所有與器件的通信都必須先寫通信寄存器。上電或復(fù)位后，器件默認(rèn)狀態(tài)為等待指令數(shù)據(jù)寫入通信寄存器。它的寄存器選擇位RS2～RS0確定下次操作訪問哪一個(gè)寄存器，而輸入通道選擇位CH1，CH0則決定對(duì)哪一個(gè)輸入通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換或訪問校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。第2個(gè)是設(shè)置寄存器，它是一個(gè)可讀/寫8位寄存器，用于設(shè)置工作模式、校準(zhǔn)方式、增益等等。第3個(gè)是時(shí)鐘寄存器，它也是一個(gè)可讀/寫的8位寄存器，用于設(shè)置有關(guān)AD7705運(yùn)行頻率參數(shù)和A/D轉(zhuǎn)換輸出更新速率。第4個(gè)是數(shù)據(jù)寄存器，它是一個(gè)16位只讀寄存器，它存放AD7705最新的轉(zhuǎn)換結(jié)果。值得注意的是，數(shù)據(jù)手冊(cè)上雖然說明它是一個(gè)16位的寄存器，但實(shí)際上它是由兩個(gè)8位的存貯單元組成的，輸出時(shí)MSB在前，如果接收微控制器需要LSB在前，例如8051系列，讀取的時(shí)候應(yīng)該分兩次讀，每次讀出8位分別倒序，而不是整個(gè)16位倒序。其他的寄存器分別是測(cè)試寄存器、零標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器、 滿標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器等，用于測(cè)試和存放校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，可用來分析噪聲和轉(zhuǎn)換誤差。?

　　2 微控制器接口應(yīng)用舉例?

　　AD7705采用SPI/QSPI兼容的三線串行接口，能夠方便地與各種微控制器和DSP連接，也比并行接口方式大大節(jié)省了CPU的I/O口。下圖所示的應(yīng)用電路中，采用80C51控制AD7705，對(duì)橋式傳感信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。此方案采用二線連接收發(fā)數(shù)據(jù)。AD7705的CS接到低電平。DRDY的狀態(tài)通過監(jiān)視DRDY線相連的P32得到(也可通過訪問通信寄存器的DRDY位來判斷以節(jié)省一個(gè)I/O口)。該應(yīng)用中采用同一個(gè)電源來產(chǎn)生傳感器橋路激勵(lì)電壓和AD7705的基準(zhǔn)參考電壓，所以在電壓的變化時(shí)它們所受到的影響比例相同，不會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，因此降低了對(duì)電壓穩(wěn)定性的要求。這也是取代昂貴的高精度基準(zhǔn)電壓電路

　　而不降低性能的一般做法。80C51配置為串行接口方式0工作模式。其數(shù)據(jù)串口線RXD(P3?0)與AD7705的DIN、DOUT引腳連接在一起，并接一個(gè)10 kΩ的上拉電阻。時(shí)鐘接口TXD與AD7705的SCLK(P31)相連，為傳輸數(shù)據(jù)提供時(shí)鐘。無數(shù)據(jù)傳送時(shí)，TXD閑置為高電平。

    需要說明的是與讀操作類似，在寫操作模式下，80C51的數(shù)據(jù)輸出為L(zhǎng)SB在前，而AD7705希望MSB在前，所以數(shù)據(jù)寫之前必須倒序。下面是關(guān)鍵的幾個(gè)C51函數(shù)。?