16位Σ-Δ A/D轉(zhuǎn)換器AD7705與微控制器的接口設(shè)計
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ad7705是 ad公司新推出的16位σ-δa/d轉(zhuǎn)換器。器件包括由緩沖器和增益可編程放大器(pga)組成的前端模擬調(diào)節(jié)電路，σ-δ調(diào)制器，可編程數(shù)字濾波器等部件。能直接將傳感器測量到的多路微小信號進行a/d轉(zhuǎn)換。這種器件還具有高分辨率、寬動態(tài)范圍、自校準、優(yōu)良的抗噪聲性能以及低電壓低功耗等特點，非常適合儀表測量、工業(yè)控制等領(lǐng)域的應用。它采用三線串行接口,有兩個全差分輸入通道,能達到0.003%非線性的16位無誤碼數(shù)據(jù)輸出，其增益和數(shù)據(jù)輸出更新率均可編程設(shè)定，還可選擇輸入模擬緩沖器，以及自校準和系統(tǒng)校準方式。工作電壓3
v或5 v。3 v電壓時，最大功耗為1 mw，等待模式下電源電流僅為8 μa。
1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)
ad7705是完整的16位a/d轉(zhuǎn)換器。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1。若外接晶體振蕩器、精密基準源和少量去耦電容，即可連續(xù)進行a/d轉(zhuǎn)換。它采用了成本較低但能獲得極高分辨率的σ-δ轉(zhuǎn)換技術(shù)，可以獲得16位無誤碼數(shù)據(jù)輸出。這一點非常符合對分辨率要求較高但對轉(zhuǎn)換數(shù)字要求不高的應用，例如數(shù)字音頻產(chǎn)品和智能儀器儀表產(chǎn)品等。下面對該器件幾個重要部分和特性作簡要說明。
增益可編程放大器ad7705包括兩個全差分模擬輸入通道。片內(nèi)的增益可編程放大器pga可選擇1、2、4、8、16、32、64、128八種增益之一，能將不同擺幅范圍的各類輸入信號放大到接近a/d轉(zhuǎn)換器的滿標度電壓再進行a/d轉(zhuǎn)換，這樣有利于提高轉(zhuǎn)換質(zhì)量。當電源電壓為5
v，基準電壓為2.5 v時，器件可直接接受從0～20 mv至0～2.5 v擺幅范圍的單極性信號和從0～±20 mv至0～±2.5
v范圍的雙極性信號。必須指出：這里的負極性電壓是相對ain(－)引腳而言的，這兩個引腳應偏置到恰當?shù)恼娢簧?。在器件的任何引腳施加相對于gnd為負電壓的信號是不允許的。輸入的模擬信號被a/d轉(zhuǎn)換器連續(xù)采樣，采樣頻率fs由主時鐘頻率fclk和選定的增益決定。增益（16～128）是通過多重采樣并利用基準電容與輸入電容的比值共同得到的。
數(shù)字濾波和輸出更新速率模擬信號由σ-δ調(diào)制器變換為占空比被模擬電壓調(diào)制(調(diào)寬)的數(shù)字脈沖串，然后在片內(nèi)使用低通數(shù)字濾波器將其解釋成16位二進制數(shù)碼并濾去噪聲，以完成a/d轉(zhuǎn)換。ad7705采用一個(sinnx/sinx)3函數(shù)低通數(shù)字濾波器，其振幅頻率特性如下：
式中：n為調(diào)制速率與輸出更新速率之比。 需要指出器件產(chǎn)生的噪聲源主要來自半導體噪聲和量化噪聲，pga放大量和濾波器第一凹口頻率越低，則輸出的半導體噪聲和量化噪聲越小，a/d轉(zhuǎn)換器的實際分辨率越高。
校準和自校準為提高a/d轉(zhuǎn)換質(zhì)量，ad7705提供自校準和系統(tǒng)校準兩種功能選擇。每當環(huán)境溫度和工作電壓發(fā)生變化，或者器件的工作狀態(tài)改變?nèi)巛斎胪ǖ狼袚Q、增益或數(shù)字濾波器第一凹口頻率變動、信號輸入范圍變化等任一項發(fā)生時，必須進行一次校準。對于自校準方式，校準過程在器件內(nèi)部一次完成。ad7705內(nèi)部設(shè)置ain(+)端和ain(－)端為相同的偏置電壓，以校準零標度；滿標度校準是在一內(nèi)部產(chǎn)生的vref電壓和選定的增益條件下進行的。系統(tǒng)校準則是對整個系統(tǒng)增益誤差和偏移誤差，包括器件內(nèi)部誤差進行校準。在選定的增益下，先后在外部給ain(+)端施加零標度電壓和滿標度電壓，先校準零標度點，然后校準滿標度點。根據(jù)零標度和滿標度的校準數(shù)據(jù)，片內(nèi)的微控制器計算出轉(zhuǎn)換器的輸入輸出轉(zhuǎn)換函數(shù)的偏移和增益斜率，對誤差進行補償。
數(shù)字接口ad7705的串行數(shù)據(jù)接口包括5個接口，其中片選輸入cs、串行時鐘輸入sclk、數(shù)據(jù)輸入din、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出口dout用于傳輸數(shù)據(jù)，狀態(tài)信號輸出口 用于指示什么時候輸出數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)準備就緒。當 為低電平時，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)可用；當 為高電平時，輸出寄存器正在更新數(shù)據(jù)，不能讀取數(shù)據(jù)。器件的a/d轉(zhuǎn)換過程是按設(shè)定的數(shù)據(jù)輸出更新速率連續(xù)進行的。任何操作都需要對相應片內(nèi)寄存器送入新的編程指令。
片內(nèi)寄存器ad7705包括8個寄存器，均通過器件串行口訪問。第一個是通信寄存器，它的內(nèi)容決定下一次操作是對哪一個寄存器進行讀操作還是寫操作，并控制對哪一個輸入通道進行采樣。所有與器件的通信都必須先寫通信寄存器。上電或復位后，器件默認狀態(tài)為等待指令數(shù)據(jù)寫入通信寄存器。它的寄存器選擇位rs2～rs0確定下次操作訪問哪一個寄存器，而輸入通道選擇位ch1，ch0則決定對哪一個輸入通道進行a/d轉(zhuǎn)換或訪問校準數(shù)據(jù)。第2個是設(shè)置寄存器，它是一個可讀/寫8位寄存器，用于設(shè)置工作模式、校準方式、增益等等。第3個是時鐘寄存器，它也是一個可讀/寫的8位寄存器，用于設(shè)置有關(guān)ad7705運行頻率參數(shù)和a/d轉(zhuǎn)換輸出更新速率。第4個是數(shù)據(jù)寄存器，它是一個16位只讀寄存器，它存放ad7705最新的轉(zhuǎn)換結(jié)果。值得注意的是，數(shù)據(jù)手冊上雖然說明它是一個16位的寄存器，但實際上它是由兩個8位的存貯單元組成的，輸出時msb在前，如果接收微控制器需要lsb在前，例如8051系列，讀取的時候應該分兩次讀，每次讀出8位分別倒序，而不是整個16位倒序。其他的寄存器分別是測試寄存器、零標度校準寄存器、 滿標度校準寄存器等，用于測試和存放校準數(shù)據(jù)，可用來分析噪聲和轉(zhuǎn)換誤差。
2 微控制器接口應用舉例
ad7705采用spi/qspi兼容的三線串行接口，能夠方便地與各種微控制器和dsp連接，也比并行接口方式大大節(jié)省了cpu的i/o口。下圖所示的應用電路中，采用80c51控制ad7705，對橋式傳感信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。此方案采用二線連接收發(fā)數(shù)據(jù)。ad7705的cs接到低電平。drdy的狀態(tài)通過監(jiān)視drdy線相連的p32得到(也可通過訪問通信寄存器的drdy位來判斷以節(jié)省一個i/o口)。該應用中采用同一個電源來產(chǎn)生傳感器橋路激勵電壓和ad7705的基準參考電壓，所以在電壓的變化時它們所受到的影響比例相同，不會產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，因此降低了對電壓穩(wěn)定性的要求。這也是取代昂貴的高精度基準電壓電路而不降低性能的一般做法。80c51配置為串行接口方式0工作模式。其數(shù)據(jù)串口線rxd(p30)與ad7705的din、dout引腳連接在一起，并接一個10 kω的上拉電阻。時鐘接口txd與ad7705的sclk(p31)相連，為傳輸數(shù)據(jù)提供時鐘。無數(shù)據(jù)傳送時，txd閑置為高電平。
需要說明的是與讀操作類似，在寫操作模式下，80c51的數(shù)據(jù)輸出為lsb在前，而ad7705希望msb在前，所以數(shù)據(jù)寫之前必須倒序。下面是關(guān)鍵的幾個c51函數(shù)。
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