摘要：簡要介紹24位Σ-△模數轉換器AD7714的性能和特點,詳細講解該芯片在高精度測量儀器中的應用。敘述如何使用AD7714實現多路、多量程的直流電壓測量,重點說明SPI數據總線的光電隔離實現辦法,并根據工程實踐總結提高抗干擾能力的途徑和印制電路板的的制作要點。采用上述辦法,該數據采集系統成功地組合了多個AD7714,實現多路μA級電流的精密測量。文中給出相關電路原理圖和MCS51單片機與AD7714的接口程序實例。
關鍵詞：AD7714 光電隔離 SPI 數據采集

在高精度及多路采樣設備中,A／D芯片選用的恰當與否對系統整體性能的表現好壞非常關鍵。目前,由于數字信號處理技術的快速發展,對信號采集前向通道的器件要求也不斷提高,特別是對器件的采樣分辨率、采樣速度以及采樣通道數等參數的要求越來越嚴格。

本系統測量采用極化繼電器的力臂控制盒儀器設計,需要測量的數據變化范圍大,精度要求高,測量的通道數多。同時,由于本系統測量電路相對復雜,各信號間容易產生干擾,而高速運轉的電機信號產生的干擾將會使系統癱瘓。針對上述情況,筆者采用多路輸入、高精度的A／D轉換器AD7714,與MCU之間的通信采用光電隔離技術。

1 AD7714的基本情況

AD7714是一個完整的用于低頻測量應用場合的模擬前端。它的3線串行接口與SPI、QSPI、MICROWEIR兼容。通過軟件可對增益設定、信號極性和通道選擇作出配置。AD7714的主要特點如下：

◇最高可實現24位無誤碼輸出,同時保證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,內含可編程低通濾波器和可讀寫系統校準系數;

◇有5通道輸入,可根據需要采用3路差分輸入或5路準差分輸入;

◇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 系統中的實際應用

2.1 AD7714外圍接口配置

POL時鐘極性。輸入低電平時,數據傳送操作中串行時鐘的第1個跳變是從低電平至高電平。輸入高電平時,數據傳送操作中串行時鐘的第1個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、數字濾波器以及模擬調制器復位到上電狀態。本系統是通過在DIN輸入端寫入一系列的1來進行軟件復位,使AD7714返回到等待對通信寄存器進行寫操作的狀態。

用軟件進行復位需要注意兩點：一是AD7714的DIN線寫邏輯1至少達32個串行時鐘周期;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。當此輸入端由硬件連線設置為低電平時,AD7714工作在其3線接口模式。

SYNCL邏輯輸入端。當使用多個AD7714時,它用于數字濾波器和模擬調制器的同步。

2.2 AD7714與MCU的接口

AD7714與MCU之間的接口關系如圖3所示,圖3中給出了輸入和輸出的電路轉換。為了能夠獲得穩定的數據,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、共模抑制性強的6N137。由于6N137的速度快,編程中不需要進行適當的延時就能滿足光隔離器的電平建立時間。試驗表明通過光隔離器,獲得的穩定數據能夠增加3～4位(二進制位)。

AD7714的CS接地,使AD7714始終工作在SPI接口模式。對每個接口模塊的控制是通過74LSl25的三態允許端來實現的。對其中一個SPI接口操作時,使其74LSl25處于選通狀態,而其他SPI接口的74LSl25處于高阻狀態。這樣可實現微處理器單獨對一個接口進行操作,而不影響其他接口。CPU通過對三態緩沖器74LSl25控制,可實現多個接口共用相同的數據線。圖3中的DA-CS是控制具有SPI總線的D／A轉換器芯片。

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

2.3基準電壓源AD780

高精度參考電壓源AD780為AD7714提供基準電壓。其基本特性：通過8腳的懸空或接地,可實現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來實現2．5 V或3．0V的輸出。

在使用AD780作基準電壓源時,其周圍的電容一定要按照圖4上所給的進行配置,否則,輸出的精度會下降很多。特別要注意AD780輸出端和地的100μF電容,試驗表明這個電容可以使系統的精度提高2～3位(二進制位)。

2.4 AD7714的模擬前端

在模擬前端所要測量的電流和電壓很多,并且變化范圍很大。為了能夠提高測量精度,必須根據電壓和電流的大小來設計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,來實現電壓表和電流表。



設計電流表時,將R1短路,選取相應的R2電阻,R2的電阻是通過AD7714最大輸入電壓以及所要測量的最大電流來計算的。設計電壓表時,如果測量的電壓在AD7714輸入電壓范圍內,將Rl短路,R2開路直接測量;如果測量的電壓超過AD7714輸入電壓的范圍,合理的選取R1和R2阻值分壓,來滿足測量的要求。

AD7714的輸人通道由AIN(+)和AIN(一)成對排列,AIN(+)輸入端上單極性和雙極性信號作為基準的電壓是各自AIN(一)輸入端上的電壓。例如,如果開關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,測量的精度就會受到很大影響。在AD7714的每個模擬輸入端都加上一個對地電容(如圖5中C1和C2),通過實驗表明對其精度有很大提高。電容的選取要根據自己的轉換速率以及外部的干擾來選取。