高精度A/D在測磁設備中的應用

1 AD676的結構特點(diǎn)

在對艦船磁場(chǎng)的測量過(guò)程中，由于艦船的運動(dòng)姿態(tài)不斷變化，使艦船磁場(chǎng)投影到各分量的強度也不斷變化。為實(shí)現對艦船磁場(chǎng)的動(dòng)態(tài)測量，因此，磁場(chǎng)測量必須快速而準確。選用87C51單片機擴展內置微控制器的高速16位A/D轉換器AD676能很好地滿(mǎn)足這一要求。

AD676的內部結構如圖1所示。由兩個(gè)單片部分組成，即數字控制單片和模擬ADC單片。數字控制單片是用DXPCMOS工藝制造，而模擬ADC單片是用BIMOSⅡ工藝制造的。該器件是使用逐次逼近技術(shù)來(lái)實(shí)現Ａ/Ｄ轉換的，但內部沒(méi)有傳統的電阻梯網(wǎng)絡(luò )，取而代之的是電容陣列。AD676是采用帶二進(jìn)制權值的電容器將輸入的采樣信號進(jìn)行分配以實(shí)現模擬到數字的轉換的。采用電容陣列帶來(lái)了三方面的好處：

　　(1)．達到了100KSPS的高速轉換率(總的轉換時(shí)間為10μS)；

　　(2)．消除了傳統的電阻網(wǎng)絡(luò )因電阻值隨溫度變化所引起的誤差；

　　(3)．在不需增加外部電路的情況下，電容陣列實(shí)現了采樣保持功能。

但是，電容陣列具有初始誤差，內部微程序控制器是專(zhuān)為消除電容陣列的初始誤差而

設計的。微程序控制器通過(guò)DAC來(lái)檢測電容陣列的匹配誤差，并把所檢測到的誤差存放在內部數據存儲器RAM中，在初始采集數據之前，要使AD676進(jìn)行一次自動(dòng)校準，在以后的轉換中，微程序控制器便使用RAM中的值來(lái)校準轉換所得的數字量而改善轉換精度。因此，AD676不需用戶(hù)校準或調整，能自動(dòng)保持器件的高性能。

AD676內部的所有功能，包括實(shí)際的逐次逼近算法、自動(dòng)校準、采樣保持操作、內部數據的輸出鎖存都是在微程序控制下進(jìn)行的。應用中，不需用戶(hù)增加額外的硬件和軟件開(kāi)銷(xiāo)，給用戶(hù)帶來(lái)了很大的方便。

2 AD676的主要性能

　　(1)．16位無(wú)丟失碼

　　(2)．轉換速率100KSPS(總的轉換時(shí)間為10μS)

　　(3)．自動(dòng)非線(xiàn)性校準

　　(4)．積分非線(xiàn)性誤差(1NL)士1LSB

　　(5)．總的諧波失真(THD)0．002％

　　(6)．片內具有采樣—保持功能

　　(7)．滿(mǎn)功率帶寬1MHz．

　　(8)．輸入模擬信號范圍士Vref

　　(9)．供電范圍：Vdd = +5V士10％

　　Vcc = +12V士5％

　　Vee = -12V士5％

　　AD676采用28引腳DIP封裝和28引腳邊銅焊陶瓷封裝，封裝引腳見(jiàn)圖2。

3 AD676的時(shí)序

(1)．校準時(shí)序

AD676通過(guò)片內自動(dòng)校準過(guò)程不需用戶(hù)校對和調整便能達到規定的性能。校準過(guò)程只需在初始采集數據前進(jìn)行一次即可，校準時(shí)序見(jiàn)圖3。

當給CAL加高電平時(shí)，AD676內部復位，BUSY輸出高電平，表明AD676已作好校準的準備。當給CAL加低電平時(shí)，校準過(guò)程開(kāi)始，校準時(shí)間為85530個(gè)時(shí)鐘周期，完成校準的標志為BUSY變?yōu)榈碗娖?。在大多數應用?chǎng)合下，僅在上電時(shí)有充分的時(shí)間對AD676進(jìn)行校準，所以要特別注意，應等到電源和電壓基準穩定以后才能開(kāi)始進(jìn)行校準。

(2)．一般的轉換時(shí)序　

轉換由輸入信號采集過(guò)程和16位內部逐次逼近過(guò)程組成。

輸入信號采集過(guò)程：將SAMPLE線(xiàn)保持高電平狀態(tài)，保持時(shí)間ts≥2μS，再將SAMPLE線(xiàn)變?yōu)榈碗娖?，SAMPLE下降沿所對應的輸入電壓值Vin即為實(shí)際采樣值。SAMPLE為低電平后，輸入Vin與內部電容陣列斷開(kāi)，輸入信號采樣過(guò)程結束。值得注意的是采樣期間AD676忽略掉輸入的時(shí)鐘脈沖，應用中為防止輸入時(shí)鐘脈沖對輸入信號干擾，采樣期間最好切斷時(shí)鐘脈沖的輸入。

16位逐次逼近轉換過(guò)程：在SAMPLE線(xiàn)變?yōu)榈碗娖絫sc時(shí)間后(tsc≥50nS)的17個(gè)時(shí)鐘脈沖內，AD676完成16位逐次逼近轉換過(guò)程，轉換期間BUSY變?yōu)楦唠娖?，轉換結束B(niǎo)USY變?yōu)榈碗娖?。當BUSY變?yōu)榈碗娖胶?，數據被輸出到BITl―BITl6引腳上，并一直保持到下一次轉換開(kāi)始。因此，在BUSY變?yōu)榈碗娖胶蟮较乱淮无D換開(kāi)始前的任何時(shí)刻都可以讀出本次轉換的結果數據。

4　AD676在測磁設備中的應用

已成功地將AD676應用于艦船磁場(chǎng)高速數據采集系統中，這里介紹該系統中AD676與87C51單片微機的接口電路，接口電路如圖5所示。圖中將信號處理部分電路、電源處理部分電路及外圍電路等省去，旨在著(zhù)重說(shuō)明AD676的使用方法。

87C51單片微機內帶4K字節的程序存儲器EPROM。當不需進(jìn)行外部程序存儲器擴展和數據存儲器擴展時(shí)，87C51的4個(gè)8位并行口P0、P1、P2、P3全歸用戶(hù)使用。因此用87C51與AD676接口，可設計出體積小、耗電省的艦船磁場(chǎng)高速高精度數據采集設備。也適用于對體積、功耗、速度和精度要求都很苛刻的場(chǎng)合。如油井探測、地震數據采集、貴重物重量測量及其它高精度測量?jì)x器。

AD676的輸出不具備三態(tài)功能，但其輸出邏輯與CMOS和TTL兼容。因此可直接把AD676的BIT1―BIT16與87C51的P0口和P2口相接。若將AD676與8031接口，則應擴展兩個(gè)8位的輸入口，再將AD676的BIT1―BIT16經(jīng)輸入接口引到8031的數據總線(xiàn)（P0口）上。校準控制CAL和轉換控制SAMPLE可接到P1或P3口的任一位上。例如由P3.0控制校準CAL，由P3.1控制轉換SAMPLE，轉換結束信號BUSY接外部中斷INT0。BUSY還控制時(shí)鐘脈沖信號的輸入，如5圖所示，當BUSY為低電平時(shí)，計數器74LS90將停止工作。圖中AD587提供10V的電壓基準。若采用5V的電壓基準，只要用AD586替代AD587即可。

由以上分析，不難編寫(xiě)出AD676校準程序和數據采集轉換程序。校準程序段如下：

　　CLR P3.1；將SAMPLE保持低電平

　　SETB P3.0；作校準準備

　　CLR P3.0；開(kāi)始校準

　　JB P3.2，$ ；等待校準

　　數據采集轉換過(guò)程可采用查詢(xún)方式或中斷方式編寫(xiě)，采用查詢(xún)方式編寫(xiě)的程序段如下：

　　SETB P3.1；接通Vin給電容陣列充電

　　NOP

　　NOP；等待2μs

　　CLR P3.1；啟動(dòng)轉換

　　JB P3.2，$；等待轉換

　　MOV @R0，P2；存放高8位數據

　　INC R0

　　MOV @R0，P0；存放低8位數據

　　…

5 結束語(yǔ)

本文設計的AD676應用方法能充分發(fā)揮其內部的各項功能。如利用內部電容陣列在不外接采樣保持器的情況下便能對艦船磁場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量、利用內置的微控制器在測量前進(jìn)行校驗便能獲得很好的線(xiàn)性度。利用其所具有的高分辨率能獲得很高的測量精度。AD676的應用簡(jiǎn)化了電路設計，降低了制作成本，并有效地提高了艦船磁場(chǎng)測量系統的性能。