16位Σ-Δ A/D轉(zhuǎn)換器AD7705與微控制器的接口設(shè)計(jì)

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(cè)量到的多路微小信號(hào)進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換。這種器件還具有高分辨率、寬動(dòng)態(tài)范圍、自校準(zhǔn)、優(yōu)良的抗噪聲性能以及低電壓低功耗等特點(diǎn)，非常適合儀表測(cè)量、工業(yè)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用。它采用三線串行接口,有兩個(gè)全差分輸入通道,能達(dá)到0.003%非線性的16位無(wú)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(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)方式。工作電壓3 v或5 v。3 v電壓時(shí)，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(zhǔn)源和少量去耦電容，即可連續(xù)進(jìn)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(wú)誤碼數(shù)據(jù)輸出。這一點(diǎn)非常符合對(duì)分辨率要求較高但對(duì)轉(zhuǎn)換數(shù)字要求不高的應(yīng)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(duì)該器件幾個(gè)重要部分和特性作簡(jiǎn)要說明。

增益可編程放大器ad7705包括兩個(gè)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(hào)放大到接近a/d轉(zhuǎn)換器的滿標(biāo)度電壓再進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，這樣有利于提高轉(zhuǎn)換質(zhì)量。當(dāng)電源電壓為5 v，基準(zhǔn)電壓為2.5 v時(shí)，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(hào)和從0～±20 mv至0～±2.5 v范圍的雙極性信號(hào)。必須指出：這里的負(fù)極性電壓是相對(duì)ain(－)引腳而言的，這兩個(gè)引腳應(yīng)偏置到恰當(dāng)?shù)恼娢簧?。在器件的任何引腳施加相對(duì)于gnd為負(fù)電壓的信號(hào)是不允許的。輸入的模擬信號(hào)被a/d轉(zhuǎn)換器連續(xù)采樣，采樣頻率fs由主時(shí)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(zhǔn)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(hào)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(jìn)制數(shù)碼并濾去噪聲，以完成a/d轉(zhuǎn)換。ad7705采用一個(gè)(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(dǎo)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(dǎo)體噪聲和量化噪聲越小，a/d轉(zhuǎn)換器的實(shí)際分辨率越高。

校準(zhǔn)和自校準(zhǔn)為提高a/d轉(zhuǎn)換質(zhì)量，ad7705提供自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)兩種功能選擇。每當(dāng)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(dòng)、信號(hào)輸入范圍變化等任一項(xiàng)發(fā)生時(shí)，必須進(jìn)行一次校準(zhǔn)。對(duì)于自校準(zhǔn)方式，校準(zhǔn)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(zhǔn)零標(biāo)度；滿標(biāo)度校準(zhǔn)是在一內(nèi)部產(chǎn)生的vref電壓和選定的增益條件下進(jìn)行的。系統(tǒng)校準(zhǔn)則是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)增益誤差和偏移誤差，包括器件內(nèi)部誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。在選定的增益下，先后在外部給ain(+)端施加零標(biāo)度電壓和滿標(biāo)度電壓，先校準(zhǔn)零標(biāo)度點(diǎn)，然后校準(zhǔn)滿標(biāo)度點(diǎn)。根據(jù)零標(biāo)度和滿標(biāo)度的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，片內(nèi)的微控制器計(jì)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(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

數(shù)字接口ad7705的串行數(shù)據(jù)接口包括5個(gè)接口，其中片選輸入cs、串行時(shí)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(hào)輸出口 用于指示什么時(shí)候輸出數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒。當(dāng) 為低電平時(shí)，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)可用；當(dāng) 為高電平時(shí)，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(jìn)行的。任何操作都需要對(duì)相應(yīng)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(gè)寄存器，均通過器件串行口訪問。第一個(gè)是通信寄存器，它的內(nèi)容決定下一次操作是對(duì)哪一個(gè)寄存器進(jìn)行讀操作還是寫操作，并控制對(duì)哪一個(gè)輸入通道進(jìn)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(fù)位后，器件默認(rèn)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(gè)寄存器，而輸入通道選擇位ch1，ch0則決定對(duì)哪一個(gè)輸入通道進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換或訪問校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。第2個(gè)是設(shè)置寄存器，它是一個(gè)可讀/寫8位寄存器，用于設(shè)置工作模式、校準(zhǔn)方式、增益等等。第3個(gè)是時(shí)鐘寄存器，它也是一個(gè)可讀/寫的8位寄存器，用于設(shè)置有關(guān)ad7705運(yùn)行頻率參數(shù)和a/d轉(zhuǎn)換輸出更新速率。第4個(gè)是數(shù)據(jù)寄存器，它是一個(gè)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(cè)上雖然說明它是一個(gè)16位的寄存器，但實(shí)際上它是由兩個(gè)8位的存貯單元組成的，輸出時(shí)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(shí)候應(yīng)該分兩次讀，每次讀出8位分別倒序，而不是整個(gè)16位倒序。其他的寄存器分別是測(cè)試寄存器、零標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器、 滿標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器等，用于測(cè)試和存放校準(zhǔn)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(yīng)用舉例

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(p30)與ad7705的din、dout引腳連接在一起，并接一個(gè)10 kω的上拉電阻。時(shí)鐘接口txd與ad7705的sclk(p31)相連，為傳輸數(shù)據(jù)提供時(shí)鐘。無(wú)數(shù)據(jù)傳送時(shí)，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(gè)c51函數(shù)。