AD7705／7706在儀器儀表中的應(yīng)用
[導(dǎo)讀]在工業(yè)過(guò)程控制、醫(yī)療器械、電子稱及多媒體等許多應(yīng)用中，對(duì)系統(tǒng)的速度、功耗及成本等性能的要求越來(lái)越高。
0概 述
在工業(yè)過(guò)程控制、醫(yī)療器械、電子稱及多媒體等許多應(yīng)用中，對(duì)系統(tǒng)的速度、功耗及成本等性能的要求越來(lái)越高。自上世紀(jì)70年代中期以來(lái)，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(jìn)入80年代Σ-△技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展了選擇的余地。
Σ-△轉(zhuǎn)換器具有相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，又稱為過(guò)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(gè)積分器和一個(gè)比較器，以及含有一個(gè)1位DAC的反饋環(huán)。這個(gè)內(nèi)置的DAC僅僅是一個(gè)開(kāi)關(guān)，它將積分器輸入切換到一個(gè)正或負(fù)的參考電壓Σ-△ ADC還包括一個(gè)時(shí)鐘單元，為調(diào)制器和數(shù)字濾波器提供適當(dāng)?shù)亩〞r(shí)。
窄帶信號(hào)送入Σ-△ ADC后被以非常低的分辨率（1位）進(jìn)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(guò)采樣被降低到一個(gè)比較低的采樣率 ，如8kHz左右，同時(shí)ADC的分辨率（即動(dòng)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(chǎng)上占據(jù)了很重要的位置。它具有三個(gè)主要優(yōu)勢(shì)：
(1) 低價(jià)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成
AD7705／7706是利用Σ-△轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)了16位無(wú)丟失代碼性能。該器件可以接受直接來(lái)自傳感器的低電平的輸入信號(hào)，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(gè)差分基準(zhǔn)輸入。當(dāng)電源電壓為5V、基準(zhǔn)電壓為2．5V時(shí)，這二種器件都可將輸入信號(hào)范圍從0～20mA到0～2．5V的信號(hào)進(jìn)行處理。還可以處理±20mV～±2．5V的雙極性輸入信號(hào)。當(dāng)電源電壓為3V、基準(zhǔn)電壓為1．225V時(shí)，可處理0～10mV到0～1．225V的單極性輸入信號(hào)，它的雙極性輸入信號(hào)范圍是±10mV到±1．225V對(duì)于AD7705是以AIN(-)輸入端為參考點(diǎn)，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(hào)極性以及更新速率的選擇可用串行輸入口由軟件來(lái)配置。該器件還包括自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)選項(xiàng)，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(diǎn)
(1) AD7705：2個(gè)全差分輸入通道的ADC
(2) AD7706：3個(gè)偽差分輸入通道的ADC；16位無(wú)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(duì)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(shí)，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(shuō)明見(jiàn)表1。
3 AD7705／7706片內(nèi)寄存器
AD7705／7706包括6個(gè)用戶可通過(guò)串行口訪問(wèn)的片內(nèi)寄存器。
第一個(gè)是通訊寄存器，它管理通道選擇，決定下一個(gè)操作是讀操作還是寫操作,以及下一次讀或?qū)懩囊粋€(gè)寄存器。所有與器件的通訊必須從寫通訊寄存器開(kāi)始。上電或復(fù)位后，器件等待在通訊寄存器上進(jìn)行一次寫操作。
第二個(gè)寄存器是設(shè)置寄存器，決定校準(zhǔn)模式、增益設(shè)置、單／雙極性輸入以及緩沖模式。
第三個(gè)寄存器是時(shí)鐘寄存器，包括濾波器選擇位和時(shí)鐘控制位。
第四個(gè)寄存器是數(shù)據(jù)寄存器，器件輸出的數(shù)據(jù)從這個(gè)寄存器讀出。
第五個(gè)寄存器是零標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器，AD7705／7706包含幾組獨(dú)立的零標(biāo)度寄存器 ，每個(gè)零標(biāo)度寄存器負(fù)責(zé)一個(gè)輸入通道。它們都是24位讀／寫寄存器。
第六個(gè)寄存器是滿標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器，AD7705／7706包含幾組獨(dú)立的滿標(biāo)度寄存器 ，每個(gè)滿標(biāo)度寄存器負(fù)責(zé)一個(gè)輸入通道。它們都是24位讀／寫寄存器。
4 AD7705／7706的接口時(shí)序
如前所述，AD7705／7706的編程功能用片內(nèi)寄存器的設(shè)置來(lái)控制。對(duì)這些寄存器的讀／寫操作通過(guò)器件的串行接口來(lái)完成。
AD7705／7706的串行接口包含5個(gè)信號(hào)：CS、SCKL、DIN、DOUT和DRDY。DIN線用來(lái)向片內(nèi)寄存器傳送數(shù)據(jù)，而DOUT線用來(lái)訪問(wèn)寄存器里的數(shù)據(jù)。SCLK是串行時(shí)鐘輸入,所有的數(shù)據(jù)傳輸都和SCLK信號(hào)有關(guān)。DRDY線作為狀態(tài)信號(hào)，以提示數(shù)據(jù)什么時(shí)候已準(zhǔn)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(shí)，DRDY變?yōu)榈碗娖?。CS是片選信號(hào),用來(lái)選擇器件。圖3和圖4是AD7705／7706的接口時(shí)序圖。圖3是從AD7705／7706的輸出移位寄存器讀數(shù)據(jù)的時(shí)序圖。圖4則是向輸入移位寄存器寫入數(shù)據(jù)的時(shí)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(shí)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(shí)它還提供了可編程的增益放大器，數(shù)字濾波器和校準(zhǔn)選項(xiàng)。因此，它提供比普通的積分ADC更多的系統(tǒng)功能，而且沒(méi)有必要有高質(zhì)量的積分電容器的缺點(diǎn)。
片上PGA允許AD7705處理低至10mV（滿標(biāo)度）的模擬輸入電壓(VREF＝+1．25V)。器件在非緩沖模式下工作時(shí)，差分輸入使模擬輸入范圍的絕對(duì)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(kāi)發(fā)的“Q－101軸瓦厚度測(cè)量?jī)x”的具體應(yīng)用。
本測(cè)量?jī)x是采用氣動(dòng)測(cè)量原理進(jìn)行測(cè)量。就是以空氣作為介質(zhì)，利用空氣流動(dòng)時(shí)的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械量的測(cè)量。氣動(dòng)量?jī)x按工作原理可分為流量式和壓力式兩類?！癚－101軸瓦厚度測(cè)量?jī)x”采用的是壓力式氣動(dòng)量?jī)x，把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成空氣壓力的變化量，然后通過(guò)測(cè)量壓力信號(hào)來(lái)測(cè)量軸瓦的厚度。其原理如圖5和圖6所示。當(dāng)經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓后壓力為Pa的空氣通過(guò)進(jìn)氣噴嘴，經(jīng)測(cè)量噴嘴和擋板之間的間隙逸入大氣時(shí)，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(duì)應(yīng)的。系統(tǒng)組成框圖如圖7所示。首先，用壓力傳感器來(lái)測(cè)量背壓Px，然后，將傳感器輸出的差分信號(hào)送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AD7705芯片）中，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再將得到的數(shù)字量送入單片機(jī)（采用LG公司生產(chǎn)的GMS97C52單片機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。最后，送入顯示窗口（LED）。在設(shè)計(jì)制作中，應(yīng)注意以下問(wèn)題：
由于模擬輸入和基準(zhǔn)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(hào)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(zhǔn)輸入信號(hào)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(jì)，以確保模擬區(qū)和數(shù)字區(qū)分開(kāi)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(kāi)。因?yàn)檫@樣能使屏蔽性能最好。應(yīng)在一個(gè)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?yàn)檫@樣會(huì)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(shí)減少電源供電的尖峰信號(hào)的影響。時(shí)鐘信號(hào)不能在模擬輸入信號(hào)附近通過(guò)，模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)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(gè)0．1μF的陶瓷電容接GND去耦。
在工業(yè)過(guò)程控制、醫(yī)療器械、電子稱及多媒體等許多應(yīng)用中，對(duì)系統(tǒng)的速度、功耗及成本等性能的要求越來(lái)越高。自上世紀(jì)70年代中期以來(lái)，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(jìn)入80年代Σ-△技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展了選擇的余地。
Σ-△轉(zhuǎn)換器具有相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，又稱為過(guò)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(gè)積分器和一個(gè)比較器，以及含有一個(gè)1位DAC的反饋環(huán)。這個(gè)內(nèi)置的DAC僅僅是一個(gè)開(kāi)關(guān)，它將積分器輸入切換到一個(gè)正或負(fù)的參考電壓Σ-△ ADC還包括一個(gè)時(shí)鐘單元，為調(diào)制器和數(shù)字濾波器提供適當(dāng)?shù)亩〞r(shí)。
窄帶信號(hào)送入Σ-△ ADC后被以非常低的分辨率（1位）進(jìn)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(guò)采樣被降低到一個(gè)比較低的采樣率 ，如8kHz左右，同時(shí)ADC的分辨率（即動(dòng)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(chǎng)上占據(jù)了很重要的位置。它具有三個(gè)主要優(yōu)勢(shì)：
(1) 低價(jià)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成
AD7705／7706是利用Σ-△轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)了16位無(wú)丟失代碼性能。該器件可以接受直接來(lái)自傳感器的低電平的輸入信號(hào)，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(gè)差分基準(zhǔn)輸入。當(dāng)電源電壓為5V、基準(zhǔn)電壓為2．5V時(shí)，這二種器件都可將輸入信號(hào)范圍從0～20mA到0～2．5V的信號(hào)進(jìn)行處理。還可以處理±20mV～±2．5V的雙極性輸入信號(hào)。當(dāng)電源電壓為3V、基準(zhǔn)電壓為1．225V時(shí)，可處理0～10mV到0～1．225V的單極性輸入信號(hào)，它的雙極性輸入信號(hào)范圍是±10mV到±1．225V對(duì)于AD7705是以AIN(-)輸入端為參考點(diǎn)，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(hào)極性以及更新速率的選擇可用串行輸入口由軟件來(lái)配置。該器件還包括自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)選項(xiàng)，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(diǎn)
(1) AD7705：2個(gè)全差分輸入通道的ADC
(2) AD7706：3個(gè)偽差分輸入通道的ADC；16位無(wú)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(duì)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(shí)，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(shuō)明見(jiàn)表1。
3 AD7705／7706片內(nèi)寄存器
AD7705／7706包括6個(gè)用戶可通過(guò)串行口訪問(wèn)的片內(nèi)寄存器。
第一個(gè)是通訊寄存器，它管理通道選擇，決定下一個(gè)操作是讀操作還是寫操作,以及下一次讀或?qū)懩囊粋€(gè)寄存器。所有與器件的通訊必須從寫通訊寄存器開(kāi)始。上電或復(fù)位后，器件等待在通訊寄存器上進(jìn)行一次寫操作。
第二個(gè)寄存器是設(shè)置寄存器，決定校準(zhǔn)模式、增益設(shè)置、單／雙極性輸入以及緩沖模式。
第三個(gè)寄存器是時(shí)鐘寄存器，包括濾波器選擇位和時(shí)鐘控制位。
第四個(gè)寄存器是數(shù)據(jù)寄存器，器件輸出的數(shù)據(jù)從這個(gè)寄存器讀出。
第五個(gè)寄存器是零標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器，AD7705／7706包含幾組獨(dú)立的零標(biāo)度寄存器 ，每個(gè)零標(biāo)度寄存器負(fù)責(zé)一個(gè)輸入通道。它們都是24位讀／寫寄存器。
第六個(gè)寄存器是滿標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器，AD7705／7706包含幾組獨(dú)立的滿標(biāo)度寄存器 ，每個(gè)滿標(biāo)度寄存器負(fù)責(zé)一個(gè)輸入通道。它們都是24位讀／寫寄存器。
4 AD7705／7706的接口時(shí)序
如前所述，AD7705／7706的編程功能用片內(nèi)寄存器的設(shè)置來(lái)控制。對(duì)這些寄存器的讀／寫操作通過(guò)器件的串行接口來(lái)完成。
AD7705／7706的串行接口包含5個(gè)信號(hào)：CS、SCKL、DIN、DOUT和DRDY。DIN線用來(lái)向片內(nèi)寄存器傳送數(shù)據(jù)，而DOUT線用來(lái)訪問(wèn)寄存器里的數(shù)據(jù)。SCLK是串行時(shí)鐘輸入,所有的數(shù)據(jù)傳輸都和SCLK信號(hào)有關(guān)。DRDY線作為狀態(tài)信號(hào)，以提示數(shù)據(jù)什么時(shí)候已準(zhǔn)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(shí)，DRDY變?yōu)榈碗娖?。CS是片選信號(hào),用來(lái)選擇器件。圖3和圖4是AD7705／7706的接口時(shí)序圖。圖3是從AD7705／7706的輸出移位寄存器讀數(shù)據(jù)的時(shí)序圖。圖4則是向輸入移位寄存器寫入數(shù)據(jù)的時(shí)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(shí)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(shí)它還提供了可編程的增益放大器，數(shù)字濾波器和校準(zhǔn)選項(xiàng)。因此，它提供比普通的積分ADC更多的系統(tǒng)功能，而且沒(méi)有必要有高質(zhì)量的積分電容器的缺點(diǎn)。
片上PGA允許AD7705處理低至10mV（滿標(biāo)度）的模擬輸入電壓(VREF＝+1．25V)。器件在非緩沖模式下工作時(shí)，差分輸入使模擬輸入范圍的絕對(duì)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(kāi)發(fā)的“Q－101軸瓦厚度測(cè)量?jī)x”的具體應(yīng)用。
本測(cè)量?jī)x是采用氣動(dòng)測(cè)量原理進(jìn)行測(cè)量。就是以空氣作為介質(zhì)，利用空氣流動(dòng)時(shí)的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械量的測(cè)量。氣動(dòng)量?jī)x按工作原理可分為流量式和壓力式兩類?！癚－101軸瓦厚度測(cè)量?jī)x”采用的是壓力式氣動(dòng)量?jī)x，把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成空氣壓力的變化量，然后通過(guò)測(cè)量壓力信號(hào)來(lái)測(cè)量軸瓦的厚度。其原理如圖5和圖6所示。當(dāng)經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓后壓力為Pa的空氣通過(guò)進(jìn)氣噴嘴，經(jīng)測(cè)量噴嘴和擋板之間的間隙逸入大氣時(shí)，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(duì)應(yīng)的。系統(tǒng)組成框圖如圖7所示。首先，用壓力傳感器來(lái)測(cè)量背壓Px，然后，將傳感器輸出的差分信號(hào)送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AD7705芯片）中，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再將得到的數(shù)字量送入單片機(jī)（采用LG公司生產(chǎn)的GMS97C52單片機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。最后，送入顯示窗口（LED）。在設(shè)計(jì)制作中，應(yīng)注意以下問(wèn)題：
由于模擬輸入和基準(zhǔn)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(hào)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(zhǔn)輸入信號(hào)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(jì)，以確保模擬區(qū)和數(shù)字區(qū)分開(kāi)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(kāi)。因?yàn)檫@樣能使屏蔽性能最好。應(yīng)在一個(gè)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?yàn)檫@樣會(huì)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(shí)減少電源供電的尖峰信號(hào)的影響。時(shí)鐘信號(hào)不能在模擬輸入信號(hào)附近通過(guò)，模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)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(gè)0．1μF的陶瓷電容接GND去耦。
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