摘要：簡要介紹24位Σ-△模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7714的性能和特點(diǎn),詳細(xì)講解該芯片在高精度測(cè)量儀器中的應(yīng)用。敘述如何使用AD7714實(shí)現(xiàn)多路、多量程的直流電壓測(cè)量,重點(diǎn)說明SPI數(shù)據(jù)總線的光電隔離實(shí)現(xiàn)辦法,并根據(jù)工程實(shí)踐總結(jié)提高抗干擾能力的途徑和印制電路板的的制作要點(diǎn)。采用上述辦法,該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成功地組合了多個(gè)AD7714,實(shí)現(xiàn)多路μA級(jí)電流的精密測(cè)量。文中給出相關(guān)電路原理圖和MCS51單片機(jī)與AD7714的接口程序?qū)嵗?
關(guān)鍵詞：AD7714 光電隔離 SPI 數(shù)據(jù)采集

在高精度及多路采樣設(shè)備中,A／D芯片選用的恰當(dāng)與否對(duì)系統(tǒng)整體性能的表現(xiàn)好壞非常關(guān)鍵。目前,由于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展,對(duì)信號(hào)采集前向通道的器件要求也不斷提高,特別是對(duì)器件的采樣分辨率、采樣速度以及采樣通道數(shù)等參數(shù)的要求越來越嚴(yán)格。

本系統(tǒng)測(cè)量采用極化繼電器的力臂控制盒儀器設(shè)計(jì),需要測(cè)量的數(shù)據(jù)變化范圍大,精度要求高,測(cè)量的通道數(shù)多。同時(shí),由于本系統(tǒng)測(cè)量電路相對(duì)復(fù)雜,各信號(hào)間容易產(chǎn)生干擾,而高速運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)信號(hào)產(chǎn)生的干擾將會(huì)使系統(tǒng)癱瘓。針對(duì)上述情況,筆者采用多路輸入、高精度的A／D轉(zhuǎn)換器AD7714,與MCU之間的通信采用光電隔離技術(shù)。

1 AD7714的基本情況

AD7714是一個(gè)完整的用于低頻測(cè)量應(yīng)用場(chǎng)合的模擬前端。它的3線串行接口與SPI、QSPI、MICROWEIR兼容。通過軟件可對(duì)增益設(shè)定、信號(hào)極性和通道選擇作出配置。AD7714的主要特點(diǎn)如下：

◇最高可實(shí)現(xiàn)24位無誤碼輸出,同時(shí)保證0．0015％的非線性度;

◇具有前端增益可編程放大器,增益值為1～128,內(nèi)含可編程低通濾波器和可讀寫系統(tǒng)校準(zhǔn)系數(shù);

◇有5通道輸入,可根據(jù)需要采用3路差分輸入或5路準(zhǔn)差分輸入;

◇低噪聲(<150 nV rms);

◇低功耗,典型電流值為226μA(省電模式僅為4 μA);

◇采用單5 V供電(AD7714-5)或單3 V供電(AD7714-3)方式。

AD7714提供24腳DIP、SOIC、TSSOP及28腳SSOP封裝。其引腳功能如圖1所示(以24DIP封裝為例)。AD7714的功能方框圖如圖2所示。


2 系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用

2.1 AD7714外圍接口配置

POL時(shí)鐘極性。輸入低電平時(shí),數(shù)據(jù)傳送操作中串行時(shí)鐘的第1個(gè)跳變是從低電平至高電平。輸入高電平時(shí),數(shù)據(jù)傳送操作中串行時(shí)鐘的第1個(gè)跳變是從高電平至低電平。

RESET邏輯輸入端。低電平有效輸入,它把器件的控制邏輯、接口邏輯、數(shù)字濾波器以及模擬調(diào)制器復(fù)位到上電狀態(tài)。本系統(tǒng)是通過在DIN輸入端寫入一系列的1來進(jìn)行軟件復(fù)位,使AD7714返回到等待對(duì)通信寄存器進(jìn)行寫操作的狀態(tài)。

用軟件進(jìn)行復(fù)位需要注意兩點(diǎn)：一是AD7714的DIN線寫邏輯1至少達(dá)32個(gè)串行時(shí)鐘周期;二是寫到任何寄存器的信息是未知的,因而要再次設(shè)置所有的寄存器。

CS芯片選擇。用于選擇AD7714的低電平有效邏輯輸入端。當(dāng)此輸入端由硬件連線設(shè)置為低電平時(shí),AD7714工作在其3線接口模式。

SYNCL邏輯輸入端。當(dāng)使用多個(gè)AD7714時(shí),它用于數(shù)字濾波器和模擬調(diào)制器的同步。

2.2 AD7714與MCU的接口

AD7714與MCU之間的接口關(guān)系如圖3所示,圖3中給出了輸入和輸出的電路轉(zhuǎn)換。為了能夠獲得穩(wěn)定的數(shù)據(jù),AD7714與MCU之間加入光隔離器。光隔離器件采用的是隔離電壓高、速度快、共模抑制性強(qiáng)的6N137。由于6N137的速度快,編程中不需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)难訒r(shí)就能滿足光隔離器的電平建立時(shí)間。試驗(yàn)表明通過光隔離器,獲得的穩(wěn)定數(shù)據(jù)能夠增加3～4位(二進(jìn)制位)。

AD7714的CS接地,使AD7714始終工作在SPI接口模式。對(duì)每個(gè)接口模塊的控制是通過74LSl25的三態(tài)允許端來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)其中一個(gè)SPI接口操作時(shí),使其74LSl25處于選通狀態(tài),而其他SPI接口的74LSl25處于高阻狀態(tài)。這樣可實(shí)現(xiàn)微處理器單獨(dú)對(duì)一個(gè)接口進(jìn)行操作,而不影響其他接口。CPU通過對(duì)三態(tài)緩沖器74LSl25控制,可實(shí)現(xiàn)多個(gè)接口共用相同的數(shù)據(jù)線。圖3中的DA-CS是控制具有SPI總線的D／A轉(zhuǎn)換器芯片。

6N137外部元件電阻根據(jù)自己的實(shí)際情況來選取,即不宜過大也不宜過小。為了增加穩(wěn)定性,最好在電阻的兩端并上電解電容。

2.3基準(zhǔn)電壓源AD780

高精度參考電壓源AD780為AD7714提供基準(zhǔn)電壓。其基本特性：通過8腳的懸空或接地,可實(shí)現(xiàn)2．5 V或3．0 V的輸出;輸出電壓范圍在2．5 V1 mV或3．0 vl mV;輸入電壓范圍可從4～36 V來實(shí)現(xiàn)2．5 V或3．0V的輸出。

在使用AD780作基準(zhǔn)電壓源時(shí),其周圍的電容一定要按照?qǐng)D4上所給的進(jìn)行配置,否則,輸出的精度會(huì)下降很多。特別要注意AD780輸出端和地的100μF電容,試驗(yàn)表明這個(gè)電容可以使系統(tǒng)的精度提高2～3位(二進(jìn)制位)。

2.4 AD7714的模擬前端

在模擬前端所要測(cè)量的電流和電壓很多,并且變化范圍很大。為了能夠提高測(cè)量精度,必須根據(jù)電壓和電流的大小來設(shè)計(jì)合理的電壓表和電流表。在圖5中,通過合理的選取R1和R2的阻值以及使其短路或開路,來實(shí)現(xiàn)電壓表和電流表。



設(shè)計(jì)電流表時(shí),將R1短路,選取相應(yīng)的R2電阻,R2的電阻是通過AD7714最大輸入電壓以及所要測(cè)量的最大電流來計(jì)算的。設(shè)計(jì)電壓表時(shí),如果測(cè)量的電壓在AD7714輸入電壓范圍內(nèi),將Rl短路,R2開路直接測(cè)量;如果測(cè)量的電壓超過AD7714輸入電壓的范圍,合理的選取R1和R2阻值分壓,來滿足測(cè)量的要求。

AD7714的輸人通道由AIN(+)和AIN(一)成對(duì)排列,AIN(+)輸入端上單極性和雙極性信號(hào)作為基準(zhǔn)的電壓是各自AIN(一)輸入端上的電壓。例如,如果開關(guān)SW在圖5中的位置,即AIN(+)接入AD780輸出電壓+2．5 V,AD7714配置為單極性,若設(shè)定增益為2,那么AIN(+)輸入電壓范圍為+2．5～+3．75 V。如果在相同的配置下,改為雙極性,那么AIN(+)輸入電壓范圍為+1．25～+3．75 V(即2．5士1．25 V)。如果通過SW開關(guān)使其AIN(一)為AGND,那么器件不能配置為超過30 mV的雙極性范圍。

如果外部電壓和電流有很大干擾,測(cè)量的精度就會(huì)受到很大影響。在AD7714的每個(gè)模擬輸入端都加上一個(gè)對(duì)地電容(如圖5中C1和C2),通過實(shí)驗(yàn)表明對(duì)其精度有很大提高。電容的選取要根據(jù)自己的轉(zhuǎn)換速率以及外部的干擾來選取。