AD7705／7706在儀器儀表中的應用

0概 述

　　在工業(yè)過(guò)程控制、醫療器械、電子稱(chēng)及多媒體等許多應用中，對系統的速度、功耗及成本等性能的要求越來(lái)越高。自上世紀70年代中期以來(lái)，大多數單片模數轉換器采用了積分、逐次逼近或并行比較技術(shù)，進(jìn)入80年代Σ-△技術(shù)進(jìn)一步擴展了選擇的余地。

　　Σ-△轉換器具有相對簡(jiǎn)單的結構，又稱(chēng)為過(guò)采樣轉換器。這種轉換器由Σ-△調制器及連接于其后的數字濾波器構成（圖1）。調制器的結構非常近似于雙斜率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)正或負的參考電壓Σ-△ ADC還包括一個(gè)時(shí)鐘單元，為調制器和數字濾波器提供適當的定時(shí)。

窄帶信號送入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)在模數轉換器市場(chǎng)上占據了很重要的位置。它具有三個(gè)主要優(yōu)勢：

　　(1) 低價(jià)格、高性能
　　(2) 集成化的數字濾波
　　(3) 與DSP技術(shù)的兼容性便于實(shí)現系統集成
　　
　　AD7705／7706是利用Σ-△轉換技術(shù)實(shí)現了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，然后產(chǎn)生串行的數字輸出。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)差分基準輸入。當電源電壓為5V、基準電壓為2．5V時(shí)，這二種器件都可將輸入信號范圍從0～20mA到0～2．5V的信號進(jìn)行處理。還可以處理20mV～2．5V的雙極性輸入信號。當電源電壓為3V、基準電壓為1．225V時(shí)，可處理0～10mV到0～1．225V的單極性輸入信號，它的雙極性輸入信號范圍是10mV到1．225V對于A(yíng)D7705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、微控制器系統和基于DSP系統的理想產(chǎn)品。其串行接口可配置為三線(xiàn)接口。增益值、信號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和系統校準選項，以消除器件本身或系統的增益和偏移誤差。

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(xiàn)性
　　(3) 可編程增益：1～128
　　(4) 三線(xiàn)串行接口SPI^TM、QSPI^TM、MICROWIRE^TM和DSP兼容
　　(5) 有對模擬輸入緩沖能力
　　(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片內寄存器

　　AD7705／7706包括6個(gè)用戶(hù)可通過(guò)串行口訪(fǎng)問(wèn)的片內寄存器。

　　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(xiě)操作,以及下一次讀或寫(xiě)哪一個(gè)寄存器。所有與器件的通訊必須從寫(xiě)通訊寄存器開(kāi)始。上電或復位后，器件等待在通訊寄存器上進(jìn)行一次寫(xiě)操作。

　　第二個(gè)寄存器是設置寄存器，決定校準模式、增益設置、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)寄存器是數據寄存器，器件輸出的數據從這個(gè)寄存器讀出。

　　第五個(gè)寄存器是零標度校準寄存器，AD7705／7706包含幾組獨立的零標度寄存器 ，每個(gè)零標度寄存器負責一個(gè)輸入通道。它們都是24位讀／寫(xiě)寄存器。

　　第六個(gè)寄存器是滿(mǎn)標度校準寄存器，AD7705／7706包含幾組獨立的滿(mǎn)標度寄存器 ，每個(gè)滿(mǎn)標度寄存器負責一個(gè)輸入通道。它們都是24位讀／寫(xiě)寄存器。

4 AD7705／7706的接口時(shí)序

　　如前所述，AD7705／7706的編程功能用片內寄存器的設置來(lái)控制。對這些寄存器的讀／寫(xiě)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：CS、SCKL、DIN、DOUT和DRDY。DIN線(xiàn)用來(lái)向片內寄存器傳送數據，而DOUT線(xiàn)用來(lái)訪(fǎng)問(wèn)寄存器里的數據。SCLK是串行時(shí)鐘輸入,所有的數據傳輸都和SCLK信號有關(guān)。DRDY線(xiàn)作為狀態(tài)信號，以提示數據什么時(shí)候已準備好從寄存器讀數據。輸出寄存器中有新的數據時(shí)，DRDY變?yōu)榈碗娖?。CS是片選信號,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據的時(shí)序圖。圖4則是向輸入移位寄存器寫(xiě)入數據的時(shí)序圖。

5 AD7705／7706在智能儀器儀表中的應用

　　AD7705提供雙通道、低成本、高分辨率模數轉換功能。由于采用Σ-△結構實(shí)現模數轉換，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，數字濾波器和校準選項。因此，它提供比普通的積分ADC更多的系統功能，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(mǎn)標度）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軸瓦厚度測量?jì)x”的具體應用。
　　
　　本測量?jì)x是采用氣動(dòng)測量原理進(jìn)行測量。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)現機械量的測量。氣動(dòng)量?jì)x按工作原理可分為流量式和壓力式兩類(lèi)?！癚－101軸瓦厚度測量?jì)x”采用的是壓力式氣動(dòng)量?jì)x，把被測量的變化轉換成空氣壓力的變化量，然后通過(guò)測量壓力信號來(lái)測量軸瓦的厚度。其原理如圖5和圖6所示。當經(jīng)過(guò)穩壓后壓力為Pa的空氣通過(guò)進(jìn)氣噴嘴，經(jīng)測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)系是一一對應的。系統組成框圖如圖7所示。首先，用壓力傳感器來(lái)測量背壓Px，然后，將傳感器輸出的差分信號送到模數轉換器（AD7705芯片）中，進(jìn)行模數轉換，再將得到的數字量送入單片機（采用LG公司生產(chǎn)的GMS97C52單片機）進(jìn)行數據處理。最后，送入顯示窗口（LED）。在設計制作中，應注意以下問(wèn)題：

由于模擬輸入和基準輸入是差分的，模擬調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里的共模噪聲，數字濾波器能抑制供電電源產(chǎn)生的除了調制器采樣頻率整數倍的頻率以外的寬帶噪聲。此外 ，數字濾波器還能消除模擬和基準輸入信號里的噪聲不使模擬調制器飽和。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(xiàn)。


　　AD7705／7706的印制板電路必須按規格設計，以確保模擬區和數字區分開(kāi)并各自限定在電路板上的一定區域。利用接地平面可以很容易地將它們分開(kāi)。因為這樣能使屏蔽性能最好。應在一個(gè)地方將模擬和數字接地平面連接在一起，以避免出現接地環(huán)路。應避免在元器件下面走數字線(xiàn)，因為這樣會(huì )造成片內噪聲成倍增加。AD7705／7706的電源線(xiàn)應用足夠粗的，以便降低線(xiàn)路阻抗，同時(shí)減少電源供電的尖峰信號的影響。時(shí)鐘信號不能在模擬輸入信號附近通過(guò)，模擬信號和數字信號之間應避免相互交叉。所有的模擬電源都應去耦。用10μF并聯(lián)一個(gè)0．1μF的陶瓷電容接GND去耦。