AD7705 7706 16位Σ ΔA D转换器原理及其应用.doc

AD7705 7706 16位 A D转换器原理及其应用 AD7705/7706 16位-A/D转换器原理及其应用 AD7705/7706是 AD公司新推出的16位-A/D转换器。器件包括由缓冲器和增益可编程放大器（PGA）组成的前端模拟调节电路，-调制器，可编程数字滤波器等部件。能直接将传感器测量到的多路微小信号进行A/D转换。这两种器件还具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪声性能以及低电压低功耗等特点，非常适合应用在仪表测量、工业控制等领域。一主要特点1. AD7705：两个全差分输入通道的ADC2. AD7706：三个准差分输入通道的ADC3. 16位无丢失代码4. 0.003%非线性5. 可编程增益：1、2、4、8、16、32、64、1286. 可编程输出数据更新率7. 可选择输入模拟缓冲器8. 自校准和系统校准9. 三线串行接口10.SPITM，QSPITM，MICROWIRETM和DSP兼容11.3V或5V工作电压12.3V电压时，最大功耗为1mW13. 等待模式下电源电流为8A二功能框图和引脚排列引脚排列如图1所示，功能框图见图2，AD7706部分引脚（6，7，8，11）与图1 AD7705的引脚AD7705不同，已标注在图中括号内。 图 2 AD7705/7706功能框图三应用说明AD7705/7706是完整的16位A/D转换器。外接晶体振荡器、精密基准源和少量去耦电容，即可连续进行A/D转换。下面对器件的几个重要部分和特性作简要说明。1增益可编程放大器和采样频率 AD7705包括两个全差分模拟输入通道，AD7706包括三个准差分模拟输入通道。片内的增益可编程放大器PGA可选择1、2、4、8、16、32、64、128八种增益之一，能将不同摆幅范围的各类输入信号放大到接近A/D转换器的满标度电压再进行A/D转换，这样有利于提高转换质量。当电源电压为5V，基准电压为2.5V时，器件可直接接受从0+20mV至0+2.5V摆幅范围的单极性信号和从020mV至02.5V范围的双极性信号。必须指出：这里的负极性电压是相对AIN（）或COMMON引脚而言的，这两个引脚应偏置到恰当的正电位上。决不允许在器件的任何引脚施加相对于GND为负电压的信号。输入的模拟信号被A/D转换器连续采样，采样频率fS由主时钟频率fCLK和选定的增益决定。虽然器件AD7705的调制器采样频率维持在fCLK /128与增益无关，但是增益（18）是通过在每个调制周期中多重输入采样得到的，而增益（16128）则是通过多重采样并利用基准电容与输入电容的比值共同得到的。作为多重采样的结果，采样频率随选择的增益而变化，如表1所示 。表1 采样频率与增益的关系增益采样频率fS1fCLK /64 (38.4kHZ fCLK =2.4576MHZ )22fCLK /64 (76.8kHZ fCLK =2.4576MHZ )44fCLK /64 (153.6kHZ fCLK =2.4576MHZ )81288fCLK /64 (307.2kHZ fCLK =2.4576MHZ )2. 数字滤波和输出更新速率 模拟信号由-调制器变换为占空比被模拟电压调制(调宽)的数字脉冲串。必须使用低通数字滤波器将其解释成16位二进制数码并滤去噪声，以完成A/D转换。AD7705采用一( sin N x / sin x )3函数低通数字滤波器。 图3所示曲线给出3db截止频率为15.7Hz的滤波器频率响应。此截止频率对应的滤波器第一凹口频率是60 Hz，而第一凹口频率等于滤波器的输出更新速率，即AD7705的转换速度。输出更新速率（第一凹口频率）是可编程设置的，通常建议设置为50Hz（转换时间为20ms），以便滤除工频噪声的干扰。图3 AD7705数字滤波器的幅频特性需要指出：器件产生的噪声源主要来自半导体噪声和量化噪声。PGA放大量和滤波器第一凹口频率越低，则输出的半导体噪声和量化噪声越小，A/D转换器的实际分辨率越高。具体情况见表2所示（5V电压）。 表2 有效分辨率与增益、输出更新速率的关系输出更新速率(-3db截止频 率)有效分辨率(位)增益1增益2增益14增益8增益16增益32增益64增益128Fclk=2.4576MHz50Hz (13.1Hz)60Hz (15.7Hz)250Hz(65.5Hz)500Hz (131Hz)1616131016161310161613101616131016151310161413101514121014131210fCLK =1MHz 20 Hz 5.24Hz)25 Hz 6.55Hz)100Hz(26.2Hz)200Hz(52.4Hz)16161310161613101616131016161310161513101614131015141210141312103. 校准 为提高A/D转换质量，AD7705/7706提供自校准和系统校准两种功能选择。每当环境温度和工作电压发生变化时，或者器件的工作状态改变如输入通道切换、增益或数字滤波器第一凹口频率变动、信号输入范围变化等任何一项发生时，必须进行一次校准。对于自校准方式，校准过程在器件内部一次完成。AD7705内部设置AIN（+）端和AIN（）端为相同的偏置电压，以校准零标度；满标度校准是在一内部产生的VREF电压和选定的增益条件下进行的。系统校准则是对整个系统增益误差和偏移误差，包括器件内部误差进行校准。在选定的增益下，先后在外部给AIN（+）端施加零标度电压和满标度电压，先校准零标度点，然后校准满标度点。根据零标度和满标度的校准数据，片内的微控制器计算出转换器的输入-输出转换函数的偏移和增益斜率，对误差进行补偿。在单极性模式下，系统校准在转换函数的零标度和满标度之间完成；在双极性模式下，校准在中点电压（零差分电压）和正的满标度电压之间完成。4. 数据接口和读写周期时序 AD7705/7706的串行数据接口包括5个接口，其中片选输入 、串行时钟输入SCLK、数据输入DIN，转换数据输出口DOUT用于传输数据，状态信号输出口 用于指示什么时候输出数据寄存器的数据准备就绪，可以读取。当 为低电平时，转换数据可用；当 为高电平时，输出寄存器正在更新数据，不能读取数据。图4和图5分别给出读写数据周期的时序图，而器件的A/D转换过程是按设定的数据输出更新速率连续进行的。图4 读周期时序图图5 写周期时序图5. 片内寄存器 AD7705/7706包括八个寄存器，通过器件串行口访问。第一个是通信寄存器，它的内容决定下一次操作是对哪一个寄存器进行读操作还是写操作，并控制对哪一个输入通道进行采样。所有与器件的通信都必须从写通信寄存器开始。上电或复位后，器件等待指令数据写入通信寄存器。A. 通信寄存器（RS2、RS1、RS0 = 0、0、0） 通信寄存器是可以读/写的8位寄存器，内容如下：0/ （0）RS2（0）RS1（0）RS0（0）R/W（0）STBY（0）CH1（0）CH0（0）括号内为上电复位的缺省值（下同）。(1) 0/ ：对于写操作，必须将“0”写到此位，对通信寄存器的写操作才能准确完成。若“1”写到此位，后续各位不能写入该寄存器。一旦有“0”写到0/ 位，后续7位将被装载到通信寄存器。对于读操作，该位提供器件的 标志，数值与状态输出口 相同。 (2) RS2RS0：寄存器选择位。确定下次操作访问哪一个寄存器，见表3所示。表3 寄存器选择RS2 RS1RS0寄存器寄存器位数000通信寄存器 8位001设置寄存器8位010时钟寄存器8位011数据寄存器 16位100测试寄存器8位101无操作110偏移寄存器24位111增益寄存器24位（3）R/W：读/写选择，指明下次操作是读还是写。（4）STBY：等待模式。此位上写“1”，器件处于等待或掉电状态，消耗电流约为10A。写“0”为正常工作模式。 （5）CH1、CH0：输入通道选择。这两位选择一个输入通道进行A/D转换或访问校准数据，如表4所示。当CH1=1、CH0=0时，AD7705内部将AIN1（+）接至AIN（），可用于测量和评估器件内部噪声。当CH1=1、CH0=1时，对AD7705无实际意义，对AD7706而言，通道3 被选中。表4 AD7705的通道选择 CH1CH0AIN（+）AIN（）校准寄存器对00AIN1（+）AIN1（）寄存器对001AIN2（+）AIN2（）寄存器对110AIN1（）AIN1（）寄存器对011AIN1（）AIN2（）寄存器对2B. 设置寄存器 （RS2、RS1、RS0 = 0、0、1） 设置寄存器是一个8位寄存器，其数据可读可写，各位排列如下：MD1（0）MD0（0）G2（0）G1（0）G0（0）B/U（0）BUF（0）FSYNC（1） （1）MD1、MD0：工作模式选择位。0 0 正常工作模式，转换器进行正常A/D转换。1 0 零标度系统校准，零基准电压由外部提供。1 1 满标度系统校准，满标度电压由外部提供。 （2）G2 G0：增益选择位，设置器件PGA的增益，如表5所示。 表5 增益选择G2 G1 G0000001101011100101110111增益设置1248163264128（3） B/U：单极性/双极性工作选择。“0”表示选择双极性工作；“1”表示选择单极性工作 。 （4）BUF：缓冲器控制。“0”表示片内缓冲器短路；“1”表示缓冲器串入通道，可处理高阻抗信号源。 （5）FSYNC：滤波器同步。该位为“1”时，数字滤波器的节点、滤波器控制逻辑、校准控制逻辑和模拟调制器处于复位状态；该位为“0”时，调制器和滤波器开始正常处理数据。C. 时钟寄存器（RS2、RS1、RS0 = 0、1、0） 时钟寄存器是一个可读/写数据的8位寄存器，内容如下：ZERO0(0)ZERO0(0)ZERO0(0)CLKDIS(0)CLKDIV(0)CLK(1)FS1(0)FS0(0)（1）CLKDIS：主时钟禁止位。逻辑“1”表示禁止主时钟在MCLK OUT引脚输出（用于由外部时钟输入到MCLK IN引脚情况下）。MCLK OUT是否输出时钟，用户根据具体情况而定。如果使用晶体振荡器，由器件内部产生时钟，则CLKDIS位必须为“0”。 （2）CLKDIV：时钟分频器位。逻辑“1”表示输入主时钟频率在器件使用前被二分频；逻辑“0”则不对主时钟分频。 （3）CLK：时钟选择位。当主时钟频率为2.4576MHz (CLKDIV=0)时，CLK应置“1”；当主时钟频率为1MHz(CLKDIV=0)时，CLK应置“0”。此位为给定的工作频率设置适当的电源电流，且和FS1、FS0位共同选择器件的输出更新速率，如表6所示。表6 输出更新速率CLK FS1 FS0000001010011100101110111输出更新速率(HZ)202510020050602505003db截止频率(HZ)5.246.5526.252.413.115.765.5131 D. 数据寄存器（RS2、RS1、RS0 = 0、1、1 ） 数据寄存器是一个16位只读寄存器，它存放AD7705最新的转换结果。 E. 测试寄存器 （RS2、RS1、RS0 = 1、0、0 ） F. 零标度校准寄存器（RS2、RS1、RS0 = 1、1、0 ）H. 满标度校准寄存器（RS2、RS1、RS0 = 1、1、1 ） AD7705/7706具有几组独立的24位零标度和24位满标度校准寄存器对，用于存放校准数据，可以进行读写操作。它们成对使用，每组对应一个输入通道（见表4）。校准数据可用于分析噪声和转换误差。四应用举例AD7705灵活的串行接口能够方便地与各种微控制器和DSP接口。图6所示的应用电路中，采用80C51管理AD7705，对压力传感信号进行模数转换。此方案采用二线连接收发数据（或用80C51的通用接口如P1口，采用三线连接法）。AD7705的 接到低电平。 的状态可通过访问通信寄存器的 位，或监视 线上的电平得到（增加一个接口）。根据 的状态，80C51用查询或中断的方法控制AD7705，读取转换数据。BP01压力传感器安装在桥式电路中，输出差分电压。当在此传感器上施加满标度压力300mmHg时，差分输出电压与激励电压的关系为3mV/V。5V激励电压取得15 mV的满标度输出电压。5V激励电压经分压后还为AD7705提供基准电压，因此激励电压的变化不会产生系统误差。分压电阻为24k和15k，产生的基准电压为1.92V。当器件的可编程增益为128时，对应的满标度输入电压即为 15 mV。AD7705的另一个通道可用于监视环境温度的变化，以便补偿由其引起的测量误差。图6 AD7705用于压力测量的电路 80C51配置为串行接口方式0工作模式