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AD7715在精密分析儀器中的應(yīng)用研究
摘要：新型高集成度∑-ΔADC正在得到越來越廣泛的應(yīng)用。這種ADC只需極少外接元件就可直接處理微弱信號(hào)，僅適合嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，也適合應(yīng)用在很多測(cè)量分析儀器中，取代傳統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器。本文通過對(duì)∑-Δ系列ADC和積分式以及逐次逼近式ADC的比較，以AD7115為實(shí)例說明這種取代的可行性。關(guān)鍵詞：∑-Δ技術(shù) AD7715 分析儀器 三線制串口
引言
AD7715模數(shù)轉(zhuǎn)換器是美國模擬器件公司（ADI）出品的采用和差轉(zhuǎn)換技術(shù)（∑-Δ技術(shù)）的系列ADC之一。該系列A/D轉(zhuǎn)換器均由信號(hào)緩沖、可編程增益放大、∑-Δ調(diào)制器、數(shù)字濾波、三線串行接口等幾部分組成，在性能、通道數(shù)、功耗等指標(biāo)上有差別。傳統(tǒng)的討論局限于將此類ADC應(yīng)用到手持儀器、工業(yè)儀表、DSP設(shè)備等便攜式系統(tǒng)中，以發(fā)揮其小體積、低功耗的特點(diǎn)。而在比較大的系統(tǒng)，例如高嚴(yán)謹(jǐn)分析儀器（如醫(yī)用生化類儀器和化學(xué)成分測(cè)量儀器）中，還是偏愛傳統(tǒng)的逐次比較或雙積分ADC。在我們以前設(shè)計(jì)的兩種智能儀器當(dāng)中，涉及到高阻低頻信號(hào)的測(cè)量時(shí)，曾使用過AD574和ICL7109。經(jīng)過認(rèn)真的分析，我們?cè)谄浜蟮母男彤a(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(shù)目，我們沒有使用AD公司的∑-Δ系列中的多通道產(chǎn)品，因?yàn)锳D7715的指標(biāo)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(hào)的阻抗要求上雙比逐次逼近式的574靈活方便。轉(zhuǎn)換速度其實(shí)也是可變的，其滿足精度要求后的速度雖然和574不是一個(gè)數(shù)量級(jí)，但遠(yuǎn)比7109快，足以滿足系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換頻率要求。其唯一的缺點(diǎn)是，物理接線簡(jiǎn)單的三線制串行數(shù)據(jù)接口造成數(shù)據(jù)處理和程序調(diào)試的麻煩，不過和其顯著的優(yōu)點(diǎn)相比，這點(diǎn)困難是值得克服的。
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1 ∑-Δ技術(shù)和AD7715簡(jiǎn)介
1.1 ∑-ΔADC工作原理
∑-Δ也稱為增量調(diào)制型轉(zhuǎn)換技術(shù)，和普通的模數(shù)轉(zhuǎn)換原理不同，∑-Δ技術(shù)本身就采用了數(shù)字技術(shù)。使用∑-Δ技術(shù)的器件都具有數(shù)字系統(tǒng)所普遍具備的高可靠性、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)。
∑-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的模擬部分非常簡(jiǎn)單（類似于一個(gè)1位ADC），而數(shù)字部分要復(fù)雜得多。由于更接近于一個(gè)數(shù)字器件，∑-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制造成本很低廉。
簡(jiǎn)單地說，∑-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(hào)數(shù)字化。通過使用采樣、噪聲整形和數(shù)字濾波等方法增加有效分辨率，然后對(duì)ADC輸出進(jìn)行數(shù)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(diào)制器、數(shù)字濾波和采樣抽取等幾部分組成，如圖1所示。
調(diào)制器本質(zhì)上是一個(gè)高速低精度（1位）的ADC，調(diào)制器以非常大的過采樣率采樣模擬信號(hào)。在這個(gè)階段調(diào)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(jié)果通過一個(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(shù)字濾波部分，另一方面通過一位DAC后和輸入信號(hào)比較，提供差值信號(hào)（Δ），構(gòu)成一個(gè)反饋循環(huán)。
∑-Δ調(diào)器以采樣速率輸出1位數(shù)據(jù)流，頻率可高達(dá)MHz量級(jí)。數(shù)字濾波和采樣抽取的目的是從該數(shù)據(jù)流中提取出有用的信息。通過數(shù)字濾波采樣抽取，濾波經(jīng)過調(diào)制器整形后的量化噪聲，提高系統(tǒng)精度。采樣抽取的底限是滿足信號(hào)無損重建的采樣定律，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(biāo)準(zhǔn)DIP封裝形式的AD7715，而沒有使用SOIC或TSSOP封裝。因?yàn)楹驮瓉硎褂玫腁DC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(xì)工作原理不作介紹，可以參見AD公司的AD7715器件手冊(cè)。為便于下面的分析，在此僅給出主要技術(shù)參數(shù)和內(nèi)部編程用寄存器的簡(jiǎn)單說明。AD7715片內(nèi)共有通信、設(shè)置、數(shù)據(jù)、測(cè)試四個(gè)寄存器供編程和訪問。
主要技術(shù)參數(shù)：
①16位無誤碼輸出，0.0015%非線性度；
②三線制串行接口，可靈活地與微處理機(jī)或DSP執(zhí)連接；
③前端增益可編程為1、2、32、128這四種，能對(duì)四段量程內(nèi)信號(hào)直接進(jìn)行高分辨率的轉(zhuǎn)換而不用另外進(jìn)行量程匹配處理；
④內(nèi)設(shè)自校準(zhǔn)電路，可有效去除零點(diǎn)漂移和增益誤差；
⑤內(nèi)設(shè)模擬輸入緩沖器，可直接對(duì)高阻信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換；
⑥帶輸出速率可編程的低通濾波器，可根據(jù)需要選用不同轉(zhuǎn)換速率。
圖3 自校準(zhǔn)時(shí)序
可使用的內(nèi)部寄存器：
①通信寄存器，8位，可讀寫。每次對(duì)AD7715的訪問都必須先向此寄存器寫入命令字。寫入的命令字決定下一步操作是針對(duì)哪一個(gè)寄存器，是讀操作還是寫操作。此外，通過該寄存器可設(shè)定片內(nèi)放大器增益。
②設(shè)置寄存器，8位，可讀寫。該寄存器負(fù)責(zé)A/D各種模式的設(shè)置。
③數(shù)據(jù)寄存器，16位，只讀。保存了最后一次A/D采樣的轉(zhuǎn)換結(jié)果。
2 在精密分析儀器中應(yīng)用AD7715
我們的分析測(cè)量儀器使用mV至V級(jí)的模擬信號(hào)，具有隨時(shí)間緩慢變化的曲線波形，要求準(zhǔn)確測(cè)量這種變化的曲線，通過對(duì)信號(hào)的處理獲得數(shù)據(jù)，這種測(cè)量方法具有代表性。下面以其中種儀器為例進(jìn)行說明。
2.1 問題討論
我們的分析系統(tǒng)需要對(duì)兩路透射光信號(hào)通過光電波檢測(cè)后輸出，經(jīng)過電流-電壓轉(zhuǎn)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(hào)，經(jīng)過溫度傳感器后的輸出的電壓范圍為0～450mV，對(duì)應(yīng)0～45℃，要求精度0.1℃。
對(duì)轉(zhuǎn)速速度有一定的要求：首先溫度測(cè)定是連續(xù)的，從開機(jī)時(shí)候起就要連續(xù)監(jiān)控，一個(gè)溫度信號(hào)用于控制加溫裝置，使測(cè)量系統(tǒng)恒溫在37℃；另一路溫度信號(hào)監(jiān)測(cè)機(jī)箱內(nèi)部溫度，根據(jù)這個(gè)溫度決定風(fēng)扇的啟停，風(fēng)扇啟動(dòng)溫度可由用戶設(shè)定，停止溫度低于啟動(dòng)溫度2℃.每2s測(cè)定一次這兩路的溫度，在進(jìn)行測(cè)量光信號(hào)時(shí)也不能停止37℃恒溫的監(jiān)控。
其次，測(cè)量兩路光信號(hào)必須精確按照0.1s一次的頻率進(jìn)行，即每100ms要各測(cè)量一次。考慮到對(duì)采樣數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單處理要保留3ms時(shí)間，所以一次A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間不能超過47ms。
這樣就出現(xiàn)了一個(gè)問題，我們可以把測(cè)量光信號(hào)的時(shí)間中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置得比測(cè)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(zhuǎn)換完的結(jié)果丟棄。但是，若每次A/D轉(zhuǎn)換（包括數(shù)據(jù)處理）時(shí)間大于33ms，將導(dǎo)致恒溫監(jiān)控事件上無法進(jìn)行，因?yàn)槠溟g的每個(gè)測(cè)溫A/D都無法完成。如果想使對(duì)機(jī)相溫度的監(jiān)控也不停止，則A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間至少要小于25ms，其道理是顯而易見的。
2.2 設(shè)計(jì)思想
我們的系統(tǒng)使用12MHz主頻的97C52，AD7715的接線如圖2所示。
串口方式0很適合三線制接口的使用，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，用來接收狀態(tài)信號(hào)DRDY；數(shù)字供電（DVDD、DGND）和模擬供電（AVDD、AGND）分開；VREF是基準(zhǔn)電壓，系統(tǒng)中使用2.39V精密電壓。Signal_IN接多路開關(guān)（8選1）的輸出，因?yàn)椴恍枰D(zhuǎn)換差分信號(hào)，所以AIN-接模擬地。
2.3 調(diào)試和軟件實(shí)現(xiàn)
AD7715的最高更新率可以達(dá)到500Hz，即理論上2ms可以完成1次A/D轉(zhuǎn)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?yàn)橥ǖ垒喠髑袚Q后，A/D內(nèi)部的信號(hào)需要重新建立，通道間信號(hào)差異越大，兩次連續(xù)轉(zhuǎn)換間誤差也越大。這個(gè)問題在其它類型的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(shè)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)問題就是串口數(shù)據(jù)，AD7715輸出數(shù)據(jù)和接收命令都是高位在先，而51系列串口的數(shù)據(jù)時(shí)序是低位在先；所以不論是寫8位的命令，還是讀取16位的轉(zhuǎn)換結(jié)果，數(shù)據(jù)要經(jīng)過高低位的顛倒處理。
關(guān)于校準(zhǔn)方式，一般采用自校準(zhǔn)就夠了，不是特殊情況一般不用進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。校準(zhǔn)一定在有效的復(fù)位后進(jìn)行，否則不能成功。
至于編程和調(diào)試，建議使用C語言，這已是潮流所趨。我們這個(gè)系統(tǒng)的工作方式類似于兩個(gè)任務(wù)并發(fā)執(zhí)行，每個(gè)通道最多一次要轉(zhuǎn)換1800個(gè)數(shù)據(jù)供分析，用匯編來寫程序是力不從心的。而對(duì)于AD7715的編程，一個(gè)好的調(diào)試工具是必須的，特別需要能觀察時(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(zhǔn)時(shí)序、寫命令時(shí)序和一次完整轉(zhuǎn)換后讀取16位結(jié)果的時(shí)序。
void initial_7715(){
SCON=0x00； /*串口寫*/
initialize_ad(); /*初始化AD7715的通信口*/
writereg(0x10);/*下面寫設(shè)置寄存器*/（寫入時(shí)序見圖4）
writereg(0x7c);/*自標(biāo)定，2.4576MHz，500Hz更新率，單極性，非緩沖模式*/
while(!IN_PORT & 0x80)）； /*等待自標(biāo)定結(jié)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(jié)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，且下次寫通信寄存器*/
writereg(0x38); /*退出standby方式，設(shè)置讀操作，3/rate時(shí)間后出結(jié)果*/
while(!(IN_PORT & 0x80));
while(IN_PORT & 0x80); /*等待讀時(shí)刻到來*/
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(jié)后停止接收*/
RUN=1;
temp1=SBUF; /*讀高8位*/（兩次讀取波形見圖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(jié)論
根據(jù)我們的對(duì)比研究，得出這樣的結(jié)論：AD7715以及類似的∑-ΔADC系列產(chǎn)品和目前國內(nèi)幾乎所有同類分析儀器中采用的傳統(tǒng)雙積分或逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換電路相比，具有精度高、抗干擾性和可靠性強(qiáng)、轉(zhuǎn)換速度可以滿足低頻要求、電路簡(jiǎn)單、外圍器件少、維修更換方便等許多優(yōu)勢(shì)，對(duì)于很多方便提供三線制串口時(shí)序的系統(tǒng)來說，完全可以作為A/D轉(zhuǎn)換電路的首先。
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