AD7715在精密分析儀器中的應用研究

　　摘要：新型高集成度∑-ΔADC正在得到越來(lái)越廣泛的應用。這種ADC只需極少外接元件就可直接處理微弱信號，僅適合嵌入式系統的應用，也適合應用在很多測量分析儀器中，取代傳統的A/D轉換器。本文通過(guò)對∑-Δ系列ADC和積分式以及逐次逼近式ADC的比較，以AD7115為實(shí)例說(shuō)明這種取代的可行性。

　　關(guān)鍵詞：∑-Δ技術(shù) AD7715 分析儀器 三線(xiàn)制串口

引言

　　AD7715模數轉換器是美國模擬器件公司（ADI）出品的采用和差轉換技術(shù)（∑-Δ技術(shù)）的系列ADC之一。該系列A/D轉換器均由信號緩沖、可編程增益放大、∑-Δ調制器、數字濾波、三線(xiàn)串行接口等幾部分組成，在性能、通道數、功耗等指標上有差別。傳統的討論局限于將此類(lèi)ADC應用到手持儀器、工業(yè)儀表、DSP設備等便攜式系統中，以發(fā)揮其小體積、低功耗的特點(diǎn)。而在比較大的系統，例如高嚴謹分析儀器（如醫用生化類(lèi)儀器和化學(xué)成分測量?jì)x器）中，還是偏愛(ài)傳統的逐次比較或雙積分ADC。在我們以前設計的兩種智能儀器當中，涉及到高阻低頻信號的測量時(shí)，曾使用過(guò)AD574和ICL7109。經(jīng)過(guò)認真的分析，我們在其后的改型產(chǎn)品中，大膽使用了單通道的AD7715作為替換，考慮到成本以及我們所需要的通道數目，我們沒(méi)有使用AD公司的∑-Δ系列中的多通道產(chǎn)品，因為AD7715的指標已經(jīng)很好了。

　　這種嘗試取得了很好的效果，它不僅簡(jiǎn)化了電路，縮小了面積，提高了分辨率，而且在抗干擾能力上不遜于雙積分式的7109；在量程處理和輸入信號的阻抗要求上雙比逐次逼近式的574靈活方便。轉換速度其實(shí)也是可變的，其滿(mǎn)足精度要求后的速度雖然和574不是一個(gè)數量級，但遠比7109快，足以滿(mǎn)足系統的轉換頻率要求。其唯一的缺點(diǎn)是，物理接線(xiàn)簡(jiǎn)單的三線(xiàn)制串行數據接口造成數據處理和程序調試的麻煩，不過(guò)和其顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)相比，這點(diǎn)困難是值得克服的。

1 ∑-Δ技術(shù)和AD7715簡(jiǎn)介

1.1 ∑-ΔADC工作原理

　　∑-Δ也稱(chēng)為增量調制型轉換技術(shù)，和普通的模數轉換原理不同，∑-Δ技術(shù)本身就采用了數字技術(shù)。使用∑-Δ技術(shù)的器件都具有數字系統所普遍具備的高可靠性、高穩定性的優(yōu)點(diǎn)。

　　∑-Δ模數轉換器中的模擬部分非常簡(jiǎn)單（類(lèi)似于一個(gè)1位ADC），而數字部分要復雜得多。由于更接近于一個(gè)數字器件，∑-Δ模數轉換器的制造成本很低廉。

　　簡(jiǎn)單地說(shuō)，∑-ΔADC以很低的采樣分辨率（1位）和很高的采樣速率將模擬信號數字化。通過(guò)使用采樣、噪聲整形和數字濾波等方法增加有效分辨率，然后對ADC輸出進(jìn)行數字濾波和采樣抽取以降低有效采樣速度，使之符合分辨率和帶寬的要求。

　　∑-ΔADC主要由∑-Δ調制器、數字濾波和采樣抽取等幾部分組成，如圖1所示。

　　調制器本質(zhì)上是一個(gè)高速低精度（1位）的ADC，調制器以非常大的過(guò)采樣率采樣模擬信號。在這個(gè)階段調制器將輸入和輸出之間的差值（Δ）進(jìn)行一階劃多階積分（∑），結果通過(guò)一個(gè)量化器（1位ADC）輸出二進(jìn)制碼流。該碼流一方面輸出給數字濾波部分，另一方面通過(guò)一位DAC后和輸入信號比較，提供差值信號（Δ），構成一個(gè)反饋循環(huán)。

　　∑-Δ調器以采樣速率輸出1位數據流，頻率可高達MHz量級。數字濾波和采樣抽取的目的是從該數據流中提取出有用的信息。通過(guò)數字濾波采樣抽取，濾波經(jīng)過(guò)調制器整形后的量化噪聲，提高系統精度。采樣抽取的底限是滿(mǎn)足信號無(wú)損重建的采樣定律，采樣頻率大于奈奎斯特頻率的兩倍（fn>2fb）。

1.2 AD7715簡(jiǎn)介

　　我們使用了16腳標準DIP封裝形式的AD7715，而沒(méi)有使用SOIC或TSSOP封裝。因為和原來(lái)使用的ADC相比，DIP封裝的AD7715已經(jīng)非常不占位置了。限于篇幅，AD7715的詳細工作原理不作介紹，可以參見(jiàn)AD公司的AD7715器件手冊。為便于下面的分析，在此僅給出主要技術(shù)參數和內部編程用寄存器的簡(jiǎn)單說(shuō)明。AD7715片內共有通信、設置、數據、測試四個(gè)寄存器供編程和訪(fǎng)問(wèn)。

主要技術(shù)參數：

　?、?6位無(wú)誤碼輸出，0.0015%非線(xiàn)性度；

　?、谌€(xiàn)制串行接口，可靈活地與微處理機或DSP執連接；

　?、矍岸嗽鲆婵删幊虨?、2、32、128這四種，能對四段量程內信號直接進(jìn)行高分辨率的轉換而不用另外進(jìn)行量程匹配處理；

　?、軆仍O自校準電路，可有效去除零點(diǎn)漂移和增益誤差；

　?、輧仍O模擬輸入緩沖器，可直接對高阻信號進(jìn)行轉換；

　?、迬л敵鏊俾士删幊痰牡屯V波器，可根據需要選用不同轉換速率。

可使用的內部寄存器：

　?、偻ㄐ偶拇嫫?，8位，可讀寫(xiě)。每次對AD7715的訪(fǎng)問(wèn)都必須先向此寄存器寫(xiě)入命令字。寫(xiě)入的命令字決定下一步操作是針對哪一個(gè)寄存器，是讀操作還是寫(xiě)操作。此外，通過(guò)該寄存器可設定片內放大器增益。

　?、谠O置寄存器，8位，可讀寫(xiě)。該寄存器負責A/D各種模式的設置。

　?、蹟祿拇嫫?，16位，只讀。保存了最后一次A/D采樣的轉換結果。

2 在精密分析儀器中應用AD7715

　　我們的分析測量?jì)x器使用mV至V級的模擬信號，具有隨時(shí)間緩慢變化的曲線(xiàn)波形，要求準確測量這種變化的曲線(xiàn)，通過(guò)對信號的處理獲得數據，這種測量方法具有代表性。下面以其中種儀器為例進(jìn)行說(shuō)明。

2.1 問(wèn)題討論

　　我們的分析系統需要對兩路透射光信號通過(guò)光電波檢測后輸出，經(jīng)過(guò)電流-電壓轉換電路后范圍為0～1.5V，精度要求0.5%；另外還有兩路溫度信號，經(jīng)過(guò)溫度傳感器后的輸出的電壓范圍為0～450mV，對應0～45℃，要求精度0.1℃。

　　對轉速速度有一定的要求：首先溫度測定是連續的，從開(kāi)機時(shí)候起就要連續監控，一個(gè)溫度信號用于控制加溫裝置，使測量系統恒溫在37℃；另一路溫度信號監測機箱內部溫度，根據這個(gè)溫度決定風(fēng)扇的啟停，風(fēng)扇啟動(dòng)溫度可由用戶(hù)設定，停止溫度低于啟動(dòng)溫度2℃.每2s測定一次這兩路的溫度，在進(jìn)行測量光信號時(shí)也不能停止37℃恒溫的監控。

　　其次，測量?jì)陕饭庑盘柋仨毦_按照0.1s一次的頻率進(jìn)行，即每100ms要各測量一次?？紤]到對采樣數據簡(jiǎn)單處理要保留3ms時(shí)間，所以一次A/D轉換時(shí)間不能超過(guò)47ms。

　　這樣就出現了一個(gè)問(wèn)題，我們可以把測量光信號的時(shí)間中斷優(yōu)先級設置得比測量溫度的時(shí)間中斷要高，這樣才能保證前者的時(shí)間精度，而后者被中斷的、未轉換完的結果丟棄。但是，若每次A/D轉換（包括數據處理）時(shí)間大于33ms，將導致恒溫監控事件上無(wú)法進(jìn)行，因為其間的每個(gè)測溫A/D都無(wú)法完成。如果想使對機相溫度的監控也不停止，則A/D轉換時(shí)間至少要小于25ms，其道理是顯而易見(jiàn)的。

2.2 設計思想

　　我們的系統使用12MHz主頻的97C52，AD7715的接線(xiàn)如圖2所示。

　　串口方式0很適合三線(xiàn)制接口的使用，此方式下TXD引腳作為串行時(shí)鐘，接收和發(fā)送均使用RXD引腳；RUN接CPU的P1.6引腳，IN_PORT.8是輸入端口的第8位，用來(lái)接收狀態(tài)信號DRDY；數字供電（DVDD、DGND）和模擬供電（AVDD、AGND）分開(kāi)；VREF是基準電壓，系統中使用2.39V精密電壓。Signal_IN接多路開(kāi)關(guān)（8選1）的輸出，因為不需要轉換差分信號，所以AIN-接模擬地。

2.3 調試和軟件實(shí)現

　　AD7715的最高更新率可以達到500Hz，即理論上2ms可以完成1次A/D轉換，但實(shí)際上如果考慮到通道切換的因素后，這個(gè)速率是不可能的。因為通道輪流切換后，A/D內部的信號需要重新建立，通道間信號差異越大，兩次連續轉換間誤差也越大。這個(gè)問(wèn)題在其它類(lèi)型的ADC中也存在。有兩種方法可以使AD7715在恒定的時(shí)間后獲得正確的輸出：一是使用設置寄存器中的FSYNC（同步）位，二是使用通信寄存器中的STBY（備用）位，我們采用后面一種方法。

　　另外一個(gè)問(wèn)題就是串口數據，AD7715輸出數據和接收命令都是高位在先，而51系列串口的數據時(shí)序是低位在先；所以不論是寫(xiě)8位的命令，還是讀取16位的轉換結果，數據要經(jīng)過(guò)高低位的顛倒處理。

　　關(guān)于校準方式，一般采用自校準就夠了，不是特殊情況一般不用進(jìn)行系統標準。校準一定在有效的復位后進(jìn)行，否則不能成功。

　　至于編程和調試，建議使用C語(yǔ)言，這已是潮流所趨。我們這個(gè)系統的工作方式類(lèi)似于兩個(gè)任務(wù)并發(fā)執行，每個(gè)通道最多一次要轉換1800個(gè)數據供分析，用匯編來(lái)寫(xiě)程序是力不從心的。而對于A(yíng)D7715的編程，一個(gè)好的調試工具是必須的，特別需要能觀(guān)察時(shí)序的手段。圖3～圖5是邏輯分析儀采取的波形，分別是自校準時(shí)序、寫(xiě)命令時(shí)序和一次完整轉換后讀取16位結果的時(shí)序。

　　void initial_7715(){

　　SCON=0x00； /*串口寫(xiě)*/

　　initialize_ad(); /*初始化AD7715的通信口*/

　　writereg(0x10);/*下面寫(xiě)設置寄存器*/（寫(xiě)入時(shí)序見(jiàn)圖4）

　　writereg(0x7c);/*自標定，2.4576MHz，500Hz更新率，單極性，非緩沖模式*/

　　while(!IN_PORT & 0x80)）； /*等待自標定結束*/（圖3中J3.3所示高電平時(shí)間）

　　while(IN_PORT & 0x80);

　　}

　　void writereg(UNCHAR bytepoint){

　　RUN=0； /*AD7715 CS=0*/

　　SBUF=exchange(bytepoint); /*字節首尾交換*/

　　while(!TI);

　　TI=0；RUN=1;

　　}

　　float readdata 16(){

　　UNCHAR temp1;

　　UNINT temp2;

　　writereg(0x04); /*進(jìn)入stby方式，且下次寫(xiě)通信寄存器*/

　　writereg(0x38); /*退出standby方式，設置讀操作，3/rate時(shí)間后出結果*/

　　while(!(IN_PORT & 0x80));

　　while(IN_PORT & 0x80); /*等待讀時(shí)刻到來(lái)*/

　　RUN=0； /*AD7715選中*/

　　SCON=0X10; /*串口讀*/

　　while(!RI);

　　temp1=SBUF; /*讀低8位*/

　　temp2=(UNINT)temp1;

　　while(!RI);

　　SCON=0x00； /*讀兩字節后停止接收*/

　　RUN=1;

　　temp1=SBUF; /*讀高8位*/（兩次讀取波形見(jiàn)圖5）

　　temp2|=((UNINT)temp1)<<8; /*合并成16位*/

　　return((float)(exchange_16(temp2))/65536.0*VREF); /*首位顛倒后換成電壓值*/

　　}

3 結論

　　根據我們的對比研究，得出這樣的結論：AD7715以及類(lèi)似的∑-ΔADC系列產(chǎn)品和目前國內幾乎所有同類(lèi)分析儀器中采用的傳統雙積分或逐次逼近模數轉換電路相比，具有精度高、抗干擾性和可靠性強、轉換速度可以滿(mǎn)足低頻要求、電路簡(jiǎn)單、外圍器件少、維修更換方便等許多優(yōu)勢，對于很多方便提供三線(xiàn)制串口時(shí)序的系統來(lái)說(shuō)，完全可以作為A/D轉換電路的首先。