高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7794的特點及應用電路的設計

1 引言

現(xiàn)代電子測量中，對測量精度有著越來越高的要求，同時，由于野外電池供電的原因，對整體電路的功耗也有著高要求。比如，在差壓式流量測量／計量中，壓力傳感器給出的信號十分微弱，這對直流放大器和ADC電路提出了很高的要求。傳統(tǒng)的精密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)穩(wěn)定性方案不能兼?zhèn)涞驮肼?、低漂移和低功耗特性，往往不得不犧牲某些性能?a target="_blank">AD7794針對工業(yè)測量領域的這種特殊而義普遍的需求，采用了一種結(jié)合斬波放大電路（抑制漂移）、乏一AADC（提高精度和抑制噪聲）和低功耗的復合結(jié)構，形成具有兼?zhèn)渖鲜鰞?yōu)秀性能的較為理想了專用器件。同時器件體積極小，便于在各種設備中使用。

本文根據(jù)作者在內(nèi)錐式智能工業(yè)燃氣表的實際設計工作中的經(jīng)驗，總結(jié)出高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7794的特點，并描述其使用方法。

2 AD7794的功能及技術特性

AD7794提供了儀器儀表應用所要求的幾乎全部功能，因而減少了設計工作量并節(jié)省了許多外圍器件。AD7794具有功耗低和完全模擬輸入端子，可用在低頻信號的測量中。它克服了同類產(chǎn)品中噪聲與功耗的局限性，能夠同時提供低噪聲和低功耗特性。該系列ADC采用2．7v～5．25 v單電源供電，其全功耗消耗電流僅400 μA，同時噪聲只有40 nVrms，從而使其適合要求低功耗和高精度測量的應用。它集成了六個差分傳感通道的24位ADC，使其非常適合要求較多通道的應用。這六個差分通道可兩兩組合成差分信號和差分參考輸入，能有效克服共模干擾。片上還有低噪聲、低溫漂的增益級儀用放大器電路，增益可以根據(jù)需要進行設置。另外，片上還集成了增益可調(diào)的激勵電流源和用于溫度測量的偏置電壓發(fā)生器。該芯片可以使用內(nèi)部時鐘，如果同步運行多個芯片時還可以使用外部時鐘。采樣率也是輸出數(shù)據(jù)的速率可以通過編程在4Hz到500Hz之間調(diào)節(jié)，在某些速率下如16．6 I-h條件下能夠提供同時抑制50 Hz和60Hz干擾信號的功能。

圖1 AD7794內(nèi)部簡化結(jié)構模塊圖

圖1給出了AD7794的簡化結(jié)構，它屬于∑-△調(diào)制的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，適用于窄帶與高分辨率的場合。AD7794的∑-△調(diào)制器將隨采樣的輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖串，其“1”的密度包括數(shù)字量信息。通過數(shù)字濾波和抽取后，輸出高分辨率低速率數(shù)據(jù)?！?△調(diào)制器還具有降噪的作用，因為高的采樣率將噪聲基底壓低，而濾波后大多數(shù)（高端頻譜部分）噪聲被濾除。調(diào)制器的階數(shù)越高，在有用帶寬內(nèi)對噪聲抑制的作用就越明顯。但是，較高階調(diào)制器容易不穩(wěn)定。因此，必須在調(diào)節(jié)器階數(shù)與穩(wěn)定性之間進行權衡。在窄帶∑-△模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，通常使用二階或三階調(diào)節(jié)器，這樣器件就會具有良好的穩(wěn)定性。

AD7794的低噪聲儀表放大器可以工作在斬波模式，斬波器是AD7794的一個內(nèi)嵌部件，可以用于消除飄移造成的誤差。斬波器的工作原理就是在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入部件多路復用器的輸出處交替地倒相（或削波）。然后，對每次斬波的正和負信號區(qū)段進行-_次模數(shù)轉(zhuǎn)換。接著，用數(shù)字濾波器對這兩次轉(zhuǎn)換結(jié)果取平均。這樣，就消除了模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)出現(xiàn)的任何失調(diào)誤差，更重要的是，將溫度對失調(diào)漂移的影響降到最低。

3 AD7794的應用電路設計

圖2 AD7794一個通道典型應用

圖2給出了AD7794的應用框圖。AD7794具有簡化的同步串行接口，易于和微控制器MC相連。AD7794中串行接口、ADC、斬波式儀表放大器和多通道的結(jié)構形成了一種全ADC類型——儀（表專）用ADC。

其中，MSP430F1611是一款超低功耗混合信號處理器，共有一種活動模式（AM）和五種低功耗模式（LPM0～LPM4）。在待機方式下，其耗電為0．7uA；在節(jié)電方式下，最低可達0．1uA。AD7794與MSP430F1611的連接十分靈活。下面霞點描述典型的傳感器及調(diào)理電路的設計，如圖3所示。其中AD7794有三套（參考電壓和被測電壓）六路差分輸入端，該電路可任選一套接入。

圖3 AD7794輸入電路設計

整個電路主要由傳感器電橋與信號調(diào)理電路組成，傳感器以差分方式輸m信號，即通過輸出正和輸出負兩端的電壓差值來表示。當被測非電鼉發(fā)生變化時，會引起傳感器的電阻值發(fā)生變化，而此變化會線性的反應在R7和R9左端的電位差（電壓）上，通過采集這個電位的差值信號就可以計算被測量及其變化。模擬的傳感器信號通過AD7794一AIN+和AD7794_AIN一差分端口送到AD7794進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。在實際使用的過程中，有可能輸入的模擬信號電J丘受到干擾而有較大范圍的波動，如果直接將傳感器上的信號接入到AD，則在極端情況下，如瞬態(tài)靜電高壓，就有可能造成對AD7794永久性的損壞。因此，電路中采用二極管D1、D2、D3和D4使輸入信號被鉗制在一個安全的范圍之內(nèi)，從而起到過壓（包括正和負）保護的作用。電阻R7、R8、R9和R10作為限流電阻使用（其阻值對于信號而言幾乎沒有影響），進一步保護了后級電路。cl和C2能有效地濾除進入電路的射頻干擾，對靠近電臺的地區(qū)使用特別有效。

AD7794的參考電壓可取自內(nèi)部，也可取A于外部。但是當測量外部電橋信號時，使用外部參考電壓比較有效，所以在本電路中使用了外部參考。當使用AD7794在測量微小信號的時候．就會用到片內(nèi)低噪聲儀表放大器，這樣可以有效地降低外部噪聲的干擾，比如說，當內(nèi)部放大器的增益為64時，所引入的噪聲典型有效值只有40nV。但是當運放的增益大于等于4的時候，其共模電壓不能夠太低，否則會使運放的特性變壞。根據(jù)需要，當AD7794工作與斬波模式時，輸入共模電壓（（AD7794 ）+（ 一））必須大于． ，這樣才_AIN+ AD7794 AIN ／2 0 5V能保證輸入信號的動態(tài)范隔；并且，當使用內(nèi)部放大器時，如果所使用的外部參考電壓VREF接近模擬電源AVDD時，則實際輸入的模擬信號值不能超過（Vr。lgain）的90％，否則AD在輸入信號的高低兩端的線性度會變差。為了很好的解決這個問題，在本電路中使用了R6和R12，這樣可以使AD7794的參考電壓AD7794．REF+和AD7794 REF一不至于接近模擬電源的極限電壓。整個電路采用橋式輸入，這樣，在外接電源在小范圍內(nèi)有波動的時候，可以保證實際加入到放大器的差值電壓和輸入的參考電壓不受外界的影響。

AD7794采用偏移二進制編碼，當使用單極性信號時（Ain+ - Ain 》 0），其輸入電壓與輸出數(shù)據(jù)的關系為：

這個D直接代表了被測量。這里，G為總增益。（REF+ - REF-）為差分參考電壓，（Ain+ - Ain-）為輸入差壓信號。

而當使用雙極性信號時（REF》Ain+ - Ain》0如或0》Ain+ - Ain》-REF，輸出特性變?yōu)椋?/p>

要用外部參考電壓時，由于R5、R7、R11可以忽略，因此有：

在理想傳感器中，

R為測量電橋的總電阻，也即橋臂電阻，靜態(tài)時R1=R2=R3=R4=R，為測量時的每臂電阻變化量。可見，使用外部參考電壓（同時做為傳感器電壓激勵）時，ADC輸出數(shù)據(jù)與傳感器變化，即與被測量直接相關，與參考電壓的實際值無關！這就對參考電，愛的穩(wěn)定性要求大大降低了。當然，參考電瓜要符合ADC的量值要求，并且，在一次測量（轉(zhuǎn)換）中仍然要求不變（短期穩(wěn)定即可）。

整個系統(tǒng)適用于高精度低功耗要求的場合。在這里，給整個電橋提供激勵的電壓也即參考電壓取自MSP430F1611的DAC輸出端。這樣做，既可以保證所加電壓的精度和穩(wěn)定性，又可以在不需要測量信號的時候，可以隨時關閉給電橋的供電。當MSP430微處理器進入休眠狀態(tài)時，也可以使整個系統(tǒng)的芯片連同電路一起處于一個休眠狀態(tài)，這樣可以進一步降低系統(tǒng)功耗。

4 AD7794的實驗和實測效果

為了模擬出實際AD7794的使用場合，將圖3中的R1、R2、R3、R4全部用電阻箱代替，電阻箱的精度和分辨率為0．1歐姆。實際測試中，使用的電阻變化量為1歐姆。在測試過程中，Rl、R4作為一組，而R2、R3作為一組，兩組阻值分別向不間的方向變化，即一組調(diào)大．而另一組調(diào)小，以此來模擬傳感器上的壓差變化，然后將實測數(shù)據(jù)繪成曲線。實驗結(jié)果示于下圖．其中，縱軸為實測的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，橫軸為壓差變化率，即（V+-Vv）／（VRF+-VREF_）。

由圖4可以看出，整個AD7794的表現(xiàn)效果令人滿意，整個AD轉(zhuǎn)換結(jié)果與實際輸入的信號成線性變化，而實測的最大線性誤差小于l‰。

5 結(jié)論

該系統(tǒng)已成功地應用于低功耗燃氣計量裝置中，并穩(wěn)定可靠地運行。與傳統(tǒng)方案比較，本系統(tǒng)精度高、功耗小、抗干擾能力強，易于調(diào)試，體積小，適合于手持、野外、太陽能供電等多種應用場合。這種方法可以推廣應用到低頻、緩變等信號的廣泛工業(yè)測量應用中。

本文作者創(chuàng)新點：提出了基于AD7794的高精度超低功耗測量計量裝置的設計原理和方法，并以給出了具體的硬件電路，為進一步開發(fā)其它類型的測量裝置提供了一定的參考作用。

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