AD7705 16位Σ-ΔA/D转换器在数字传感器中的应用

  作者:张殊凡 时间:2009-08-19

  AD7705是 AD公司新推出的16位Σ-ΔA/D转换器。器件包括由缓冲器和增益可编程放大器(PGA)组成的前端模拟调节电路,Σ-Δ调制器,可编程数字滤波器等部件。能直接将传感器测量到的多路微小信号进行A/D转换。这种器件还具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪声性能以及低电压低功耗等特点,非常适合仪表测量、工业控制等领域的应用。它采用三线串行,有两个全差分输入通道,能达到0.003%非线性的16位无误码数据输出,其增益和数据输出更新率均可编程设定,还可选择输入模拟缓冲器,以及自校准和系统校准方式。工作电压3 V或5 V。3 V电压时,最大功耗为1 mW,等待模式下电源电流仅为8 μA。

  1 内部结构

   AD7705是完整的16位A/D转换器。内部结构如图1。若外接晶体振荡器、精密基准源和少量去耦电容,即可连续进行A/D转换。它采用了成本较低但能获得极高分辨率的Σ-Δ转换技术,可以获得16位无误码数据输出。这一点非常符合对分辨率要求较高但对转换数字要求不高的应用,例如数字音频产品和智能仪器仪表产品等。下面对该器件几个重要部分和特性作简要说明。

  增益可编程放大器AD7705包括两个全差分模拟输入通道。片内的增益可编程放大器PGA可选择1、2、4、8、16、32、64、128八种增益之一,能将不同摆幅范围的各类输入信号放大到接近A/D转换器的满标度电压再进行A/D转换,这样有利于提高转换质量。当电源电压为5 V,基准电压为2.5 V时,器件可直接接受从0~20 mV至0~2.5 V摆幅范围的单极性信号和从0~±20 mV至0~±2.5 V范围的双极性信号。必须指出:这里的负极性电压是相对AIN(-)引脚而言的,这两个引脚应偏置到恰当的正电位上。在器件的任何引脚施加相对于GND为负电压的信号是不允许的。输入的模拟信号被A/D转换器连续采样,采样频率fS由主时钟频率fCLK和选定的增益决定。增益(16~128)是通过多重采样并利用基准电容与输入电容的比值共同得到的。

  

 

  数字滤波和输出更新速率模拟信号由Σ-Δ调制器变换为占空比被模拟电压调制(调宽)的数字脉冲串,然后在片内使用低通数字滤波器将其解释成16位二进制数码并滤去噪声,以完成A/D转换。AD7705采用一个(sinNx/sinx)3函数低通数字滤波器,其振幅频率特性如下:

  

 

  式中:N为调制速率与输出更新速率之比。 需要指出器件产生的噪声源主要来自半导体噪声和量化噪声,PGA放大量和滤波器第一凹口频率越低,则输出的半导体噪声和量化噪声越小,A/D转换器的实际分辨率越高。

   校准和自校准为提高A/D转换质量,AD7705提供自校准和系统校准两种功能选择。每当环境温度和工作电压发生变化,或者器件的工作状态改变如输入通道切换、增益或数字滤波器第一凹口频率变动、信号输入范围变化等任一项发生时,必须进行一次校准。对于自校准方式,校准过程在器件内部一次完成。AD7705内部设置AIN(+)端和AIN(-)端为相同的偏置电压,以校准零标度;满标度校准是在一内部产生的VREF电压和选定的增益条件下进行的。系统校准则是对整个系统增益误差和偏移误差,包括器件内部误差进行校准。在选定的增益下,先后在外部给AIN(+)端施加零标度电压和满标度电压,先校准零标度点,然后校准满标度点。根据零标度和满标度的校准数据,片内的计算出转换器的输入输出转换函数的偏移和增益斜率,对误差进行补偿。

  数字接口AD7705的串行数据接口包括5个接口,其中片选输入CS、串行时钟输入SCLK、数据输入DIN、转换数据输出口DOUT用于传输数据,状态信号输出口 用于指示什么时候输出数据寄存器的数据准备就绪。当 为低电平时,转换数据可用;当 为高电平时,输出寄存器正在更新数据,不能读取数据。器件的A/D转换过程是按设定的数据输出更新速率连续进行的。任何操作都需要对相应片内寄存器送入新的编程指令。

  本文相关DataSheet:

  片内寄存器AD7705包括8个寄存器,均通过器件串行口访问。第一个是通信寄存器,它的内容决定下一次操作是对哪一个寄存器进行读操作还是写操作,并控制对哪一个输入通道进行采样。所有与器件的通信都必须先写通信寄存器。上电或复位后,器件默认状态为等待指令数据写入通信寄存器。它的寄存器选择位RS2~RS0确定下次操作访问哪一个寄存器,而输入通道选择位CH1,CH0则决定对哪一个输入通道进行A/D转换或访问校准数据。第2个是设置寄存器,它是一个可读/写8位寄存器,用于设置工作模式、校准方式、增益等等。第3个是时钟寄存器,它也是一个可读/写的8位寄存器,用于设置有关AD7705运行频率参数和A/D转换输出更新速率。第4个是数据寄存器,它是一个16位只读寄存器,它存放AD7705最新的转换结果。值得注意的是,数据手册上虽然说明它是一个16位的寄存器,但实际上它是由两个8位的存贮单元组成的,输出时MSB在前,如果接收需要LSB在前,例如8051系列,读取的时候应该分两次读,每次读出8位分别倒序,而不是整个16位倒序。其他的寄存器分别是测试寄存器、零标度校准寄存器、 满标度校准寄存器等,用于测试和存放校准数据,可用来分析噪声和转换误差。

  2 微控制器应用举例

  AD7705采用SPI/QSPI兼容的三线串行接口,能够方便地与各种微控制器和DSP连接,也比并行接口方式大大节省了CPU的I/O口。下图所示的应用电路中,采用80C51控制AD7705,对桥式传感信号进行模数转换。此方案采用二线连接收发数据。AD7705的CS接到低电平。DRDY的状态通过监视DRDY线相连的P32得到(也可通过访问通信寄存器的DRDY位来判断以节省一个I/O口)。该应用中采用同一个电源来产生传感器桥路激励电压和AD7705的基准参考电压,所以在电压的变化时它们所受到的影响比例相同,不会产生系统误差,因此降低了对电压稳定性的要求。这也是取代昂贵的高精度基准电压电路

  而不降低性能的一般做法。80C51配置为串行接口方式0工作模式。其数据串口线RXD(P30)与AD7705的DIN、DOUT引脚连接在一起,并接一个10 kΩ的上拉电阻。时钟接口TXD与AD7705的SCLK(P31)相连,为传输数据提供时钟。无数据传送时,TXD闲置为高电平。

  需要说明的是与读操作类似,在写操作模式下,80C51的数据输出为LSB在前,而AD7705希望MSB在前,所以数据写之前必须倒序。下面是关键的几个C51函数。

  

 

  

关键词: AD7705 16位 转换器 数字 传感器 中的 应用

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