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基于A/D轉(zhuǎn)換器AD7677的原理、工作特性及應(yīng)用分析

電子設(shè)計 ? 來源:電子設(shè)計工程 ? 作者:徐民 , 李浩 , 楊新 ? 2020-04-28 08:06 ? 次閱讀

1、 引言

模擬信號的測量離不開A/D轉(zhuǎn)換器。它的性能直接影響到測量精度。高精度、高速的A/D轉(zhuǎn)換器是實現(xiàn)高精度測量的前提,但從成本和設(shè)計要求來看,選擇適合的A/D轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。電量變送器校驗裝置的直流測量電路選擇16位高速、高精度AD7677型A/D轉(zhuǎn)換器。該器件是美國模擬器件公司ADI)生產(chǎn)的16 bit逐次逼近(SAR)型A/D轉(zhuǎn)換器,是PulSAR系列SAR型A/D轉(zhuǎn)換器成員,具有基于一種提供附加零數(shù)據(jù)等待延遲特性的A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu),零數(shù)據(jù)等待延遲在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中是一項關(guān)鍵性因素。

目前,SAR型A/D轉(zhuǎn)換器已占據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器市場的大半個份額,它是那些要求將模擬信號非常精確地轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的應(yīng)用中最常用、最經(jīng)濟、最有效的技術(shù),其速度比同類產(chǎn)品提高50%,精度比同類產(chǎn)品提高3倍多,由于封裝尺寸縮小40%。AD7677是通用的A/D轉(zhuǎn)換器,適合于對速度和精度有特殊要求的場合,如高端數(shù)據(jù)采集、CT掃描儀、頻譜分析儀、自動測試設(shè)備(ATE)和通用測試設(shè)備。AD7677型A/D轉(zhuǎn)換器具有1 MS/s轉(zhuǎn)換速率,其積分非線性誤差(INL)和微分非線性誤差(DNL)都為±l LSB,并且無失碼,它不僅能實現(xiàn)高速與高精度,而且功耗也低,通常在1MS/s轉(zhuǎn)換速率下,功耗小于115 mW。

2、 AD7677特性與工作原理

圖1給出AD7677的原理框圖。AD7677具有真正的16位精度,不僅能為測量系統(tǒng)提供較高精度,還能提供3種不同轉(zhuǎn)換速率,以適應(yīng)不同應(yīng)用需求。在高速模式下,該A/D轉(zhuǎn)換器的最大采樣速率為1MS/s,它要求兩次轉(zhuǎn)換時間不能超過1 ms,這樣才能保證全量程的精度:如果兩次轉(zhuǎn)換時間超過l ms,則在A/D轉(zhuǎn)換器啟動后將忽略第一次測量值。所以該模式一般用于需要高速測量的場合。在普通模式下,A/D轉(zhuǎn)換器的最大采樣速度為800 KS/s,它對兩次采樣之間的時間間隔沒有要求,因此該模式適合用于多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。而在脈沖模式下,可以實現(xiàn)低功耗設(shè)計,可通過節(jié)電方式來降低采樣間隔期間的功耗,其最大采樣速率為666 KS/s。在采樣速率為100 S/s下,其典型功耗為15pW,因此該模式一般用于電池供電場合。

基于A/D轉(zhuǎn)換器AD7677的原理、工作特性及應(yīng)用分析

圖2給出AD7677 A/D轉(zhuǎn)換器的時序圖。AD7677利用CNVST信號控制轉(zhuǎn)換,一旦開始轉(zhuǎn)換,即使PD端口出現(xiàn)低電平,也不能重新啟動或停止轉(zhuǎn)換。CNVST信號獨立于CS和RD信號工作。在AD7677 A/D轉(zhuǎn)換器采樣時,BUSY信號為高,此時可連接單片機進行檢測;BUSY信號為低時,該A/D轉(zhuǎn)換器處于等待狀態(tài),直到CNVST再次為低時,則開始新的轉(zhuǎn)換。

AD7677 A/D轉(zhuǎn)換器的時序圖

AD7677支持串行通訊和并行通訊。為便于高速測量,該系統(tǒng)設(shè)計中,將引腳SER/PAR設(shè)置為低電平,并采用并行通訊。當(dāng)RD信號使能時,若BUSY信號為低,則讀取目前的采樣值:若BUSY信號為高,則讀取上次采樣值。圖3給出并行接口的時序圖。16位數(shù)據(jù)通過引腳BYTESWAP進行控制,并按照8位數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)BYTESWAP位為低時,低8位數(shù)據(jù)由D[7:0]輸出,而高8位數(shù)據(jù)則由D[15:8]輸出;當(dāng)BYTESWAP位為高時,低8位數(shù)據(jù)由D[15:8]輸出,而高8位數(shù)據(jù)則由D[7:0]輸出。將引腳BYTESWAP連接到地址線上,控制其電平高低,即可通過8位數(shù)據(jù)線讀取16位數(shù)據(jù)。

并行接口的時序圖

3、 AD7677在系統(tǒng)中的應(yīng)用

利用一片AD7677、一個驅(qū)動器和一個光電耦合器即可構(gòu)成一個16位、最高采樣頻率可達1 MHz,每組最大采樣數(shù)為32 kHz的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。影響采集系統(tǒng)性能的參數(shù)很多,歸納起來主要有以下4個方面:

(1)基準電壓當(dāng)采樣轉(zhuǎn)換時,AD7677以基準電壓作為參考電壓,所以基準電壓的穩(wěn)定性決定了測量的穩(wěn)定性。這里選擇低噪聲、低溫漂、超高精度的電壓基準器件ADR421來提供基準電壓,其輸入電壓為12 V,輸出電壓為2.5 V。圖4給出基準電壓參考電路。

基準電壓參考電路

(2)采樣控制脈沖由外部提供采樣脈沖,其最高頻率應(yīng)小于1 MHz,,這里根據(jù)要求,采用8 MHz有源晶體振蕩器,經(jīng)32倍分頻后提供采樣脈沖,其采樣頻率最終選擇250 kHz。

(3)模擬輸入信號由低噪聲、低漂移、高性能運算放大器實現(xiàn)緩沖、放大及阻抗變換,并進行適當(dāng)?shù)臑V波,按輸入信號的大小自動切換放大量程。

(4)單端輸入變雙端輸入信號采集系統(tǒng)一般都采用單端信號輸入。為了提高共模抑制比,常常需要將單端信號變成雙端差分輸入。圖5給出單端輸入變雙端輸入電路。

單端輸入變雙端輸入電路

在采集系統(tǒng)中已根據(jù)試驗設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換模式.單片機只需控制何時采樣及實時處理采樣數(shù)據(jù)即可。單片機等待采樣命令,當(dāng)接到命令后,打開A/D轉(zhuǎn)換器的中斷,片選A/D轉(zhuǎn)換器開始采集數(shù)據(jù),通過設(shè)置軟件計數(shù)器中的數(shù)值控制采集點數(shù),這樣既容易改變測量模塊的參數(shù),也容易使系統(tǒng)升級。將每次采集數(shù)據(jù)保存到片外RAM進行數(shù)據(jù)處理。

4、 結(jié)語

在裝置中,配合使用AD7677與量程切換電路,實現(xiàn)了直流電壓在O~10 V、直流電流在4~40 mA范圍內(nèi)的自動測量。在測量直流電壓或電流時,由于測量量程的范圍不同。而且不同的量程系差也不一致,所以補償系數(shù)也有區(qū)別.需要在編制程序時分別考慮。測量電流與測量電壓的子程序流程基本相同,只是在計算真實值時,公式稍有區(qū)別。在設(shè)計數(shù)據(jù)處理計算中,采用平均值數(shù)字濾波方法,使得該裝置的測量精度達到0.01%以上,線性度達到0.005%。由此可見,AD7677型A/D轉(zhuǎn)換器不僅能夠滿足設(shè)計要求.而且可得到進一步推廣應(yīng)用。

責(zé)任編輯:gt


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