AD7677在變送器校驗裝置直流測量系統的應用

　1 引言

　　模擬信號的測量離不開(kāi)A／D轉換器。它的性能直接影響到測量精度。高精度、高速的A／D轉換器是實(shí)現高精度測量的前提，但從成本和設計要求來(lái)看，選擇適合的A/D轉換器至關(guān)重要。電量變送器校驗裝置的直流測量電路選擇16位高速、高精度AD7677型A／D轉換器。該器件是美國模擬器件公司(ADI)生產(chǎn)的16 bit逐次逼近(SAR)型A／D轉換器，是PulSAR系列SAR型A／D轉換器成員，具有基于一種提供附加零數據等待延遲特性的A／D轉換器結構，零數據等待延遲在數據采集系統中是一項關(guān)鍵性因素。

　　目前，SAR型A／D轉換器已占據A／D轉換器市場(chǎng)的大半個(gè)份額，它是那些要求將模擬信號非常精確地轉換成數字信號的應用中最常用、最經(jīng)濟、最有效的技術(shù)，其速度比同類(lèi)產(chǎn)品提高50％，精度比同類(lèi)產(chǎn)品提高3倍多，由于封裝尺寸縮小40％。AD7677是通用的A／D轉換器，適合于對速度和精度有特殊要求的場(chǎng)合，如高端數據采集、CT掃描儀、頻譜分析儀、自動(dòng)測試設備(ATE)和通用測試設備。AD7677型A／D轉換器具有1 MS／s轉換速率，其積分非線(xiàn)性誤差(INL)和微分非線(xiàn)性誤差(DNL)都為±l LSB，并且無(wú)失碼，它不僅能實(shí)現高速與高精度，而且功耗也低，通常在1MS／s轉換速率下，功耗小于115 mW。

　　2 AD7677特性與工作原理

　　圖1給出AD7677的原理框圖。AD7677具有真正的16位精度，不僅能為測量系統提供較高精度，還能提供3種不同轉換速率，以適應不同應用需求。在高速模式下，該A／D轉換器的最大采樣速率為1MS／s，它要求兩次轉換時(shí)間不能超過(guò)1 ms，這樣才能保證全量程的精度：如果兩次轉換時(shí)間超過(guò)l ms，則在A(yíng)／D轉換器啟動(dòng)后將忽略第一次測量值。所以該模式一般用于需要高速測量的場(chǎng)合。在普通模式下，A/D轉換器的最大采樣速度為800 KS／s，它對兩次采樣之間的時(shí)間間隔沒(méi)有要求，因此該模式適合用于多路數據采集系統中。而在脈沖模式下，可以實(shí)現低功耗設計，可通過(guò)節電方式來(lái)降低采樣間隔期間的功耗，其最大采樣速率為666 KS／s。在采樣速率為100 S／s下，其典型功耗為15pW，因此該模式一般用于電池供電場(chǎng)合。

　　圖2給出AD7677 A／D轉換器的時(shí)序圖。AD7677利用CNVST信號控制轉換，一旦開(kāi)始轉換，即使PD端口出現低電平，也不能重新啟動(dòng)或停止轉換。CNVST信號獨立于CS和RD信號工作。在A(yíng)D7677 A／D轉換器采樣時(shí)，BUSY信號為高，此時(shí)可連接單片機進(jìn)行檢測；BUSY信號為低時(shí)，該A／D轉換器處于等待狀態(tài)，直到CNVST再次為低時(shí)，則開(kāi)始新的轉換。

　　AD7677支持串行通訊和并行通訊。為便于高速測量，該系統設計中，將引腳SER／PAR設置為低電平，并采用并行通訊。當RD信號使能時(shí)，若BUSY信號為低，則讀取目前的采樣值：若BUSY信號為高，則讀取上次采樣值。圖3給出并行接口的時(shí)序圖。16位數據通過(guò)引腳BYTESWAP進(jìn)行控制，并按照8位數據傳輸。當BYTESWAP位為低時(shí)，低8位數據由D[7：0]輸出，而高8位數據則由D[15：8]輸出；當BYTESWAP位為高時(shí)，低8位數據由D[15：8]輸出，而高8位數據則由D[7：0]輸出。將引腳BYTESWAP連接到地址線(xiàn)上，控制其電平高低，即可通過(guò)8位數據線(xiàn)讀取16位數據。

　　3 AD7677在系統中的應用

　　利用一片AD7677、一個(gè)驅動(dòng)器和一個(gè)光電耦合器即可構成一個(gè)16位、最高采樣頻率可達1 MHz，每組最大采樣數為32 kHz的數據采集系統。影響采集系統性能的參數很多，歸納起來(lái)主要有以下4個(gè)方面：

　　(1)基準電壓當采樣轉換時(shí)，AD7677以基準電壓作為參考電壓，所以基準電壓的穩定性決定了測量的穩定性。這里選擇低噪聲、低溫漂、超高精度的電壓基準器件ADR421來(lái)提供基準電壓，其輸入電壓為12 V，輸出電壓為2．5 V。圖4給出基準電壓參考電路。

　　(2)采樣控制脈沖由外部提供采樣脈沖，其最高頻率應小于1 MHz,，這里根據要求，采用8 MHz有源晶體振蕩器，經(jīng)32倍分頻后提供采樣脈沖，其采樣頻率最終選擇250 kHz。

　　(3)模擬輸入信號由低噪聲、低漂移、高性能運算放大器實(shí)現緩沖、放大及阻抗變換，并進(jìn)行適當的濾波，按輸入信號的大小自動(dòng)切換放大量程。

　　(4)單端輸入變雙端輸入信號采集系統一般都采用單端信號輸入。為了提高共模抑制比，常常需要將單端信號變成雙端差分輸入。圖5給出單端輸入變雙端輸入電路。

　　在采集系統中已根據試驗設置A／D轉換模式．單片機只需控制何時(shí)采樣及實(shí)時(shí)處理采樣數據即可。單片機等待采樣命令，當接到命令后，打開(kāi)A／D轉換器的中斷，片選A／D轉換器開(kāi)始采集數據，通過(guò)設置軟件計數器中的數值控制采集點(diǎn)數，這樣既容易改變測量模塊的參數，也容易使系統升級。將每次采集數據保存到片外RAM進(jìn)行數據處理。

　　4 結語(yǔ)

　　在裝置中，配合使用AD7677與量程切換電路，實(shí)現了直流電壓在O~10 V、直流電流在4~40 mA范圍內的自動(dòng)測量。在測量直流電壓或電流時(shí)，由于測量量程的范圍不同。而且不同的量程系差也不一致，所以補償系數也有區別．需要在編制程序時(shí)分別考慮。測量電流與測量電壓的子程序流程基本相同，只是在計算真實(shí)值時(shí)，公式稍有區別。在設計數據處理計算中，采用平均值數字濾波方法，使得該裝置的測量精度達到0．01％以上，線(xiàn)性度達到0．005％。由此可見(jiàn)，AD7677型A／D轉換器不僅能夠滿(mǎn)足設計要求．而且可得到進(jìn)一步推廣應用。