[導讀]在工業(yè)過程控制、醫(yī)療器械、電子稱及多媒體等許多應用中，對系統(tǒng)的速度、功耗及成本等性能的要求越來越高。
0概 述
在工業(yè)過程控制、醫(yī)療器械、電子稱及多媒體等許多應用中，對系統(tǒng)的速度、功耗及成本等性能的要求越來越高。自上世紀70年代中期以來，大多數單片模數轉換器采用了積分、逐次逼近或并行比較技術，進入80年代Σ-△技術進一步擴展了選擇的余地。
Σ-△轉換器具有相對簡單的結構，又稱為過采樣轉換器。這種轉換器由Σ-△調制器及連接于其后的數字濾波器構成（圖1）。調制器的結構非常近似于雙斜率ADC，包括一個積分器和一個比較器，以及含有一個1位DAC的反饋環(huán)。這個內置的DAC僅僅是一個開關，它將積分器輸入切換到一個正或負的參考電壓Σ-△ ADC還包括一個時鐘單元，為調制器和數字濾波器提供適當的定時。
窄帶信號送入Σ-△ ADC后被以非常低的分辨率（1位）進行量化，但采樣頻率卻非常高，如2MHz或更高。經數字濾波處理后這種過采樣被降低到一個比較低的采樣率 ，如8kHz左右，同時ADC的分辨率（即動態(tài)范圍）被提高到16位或更高。這種Σ-△技術在模數轉換器市場上占據了很重要的位置。它具有三個主要優(yōu)勢：
(1) 低價格、高性能
(2) 集成化的數字濾波
(3) 與DSP技術的兼容性便于實現系統(tǒng)集成
AD7705／7706是利用Σ-△轉換技術實現了16位無丟失代碼性能。該器件可以接受直接來自傳感器的低電平的輸入信號，然后產生串行的數字輸出。AD7705／7706只需2．7～3．3V或4．75～5．25V單電源。AD7705是雙通道全差分模擬輸入，而AD7706是3通道偽差分模擬輸入，二者都有一個差分基準輸入。當電源電壓為5V、基準電壓為2．5V時，這二種器件都可將輸入信號范圍從0～20mA到0～2．5V的信號進行處理。還可以處理±20mV～±2．5V的雙極性輸入信號。當電源電壓為3V、基準電壓為1．225V時，可處理0～10mV到0～1．225V的單極性輸入信號，它的雙極性輸入信號范圍是±10mV到±1．225V對于AD7705是以AIN(-)輸入端為參考點，而AD7706是COMMON輸入端。AD7705／7706是用于智能系統(tǒng)、微控制器系統(tǒng)和基于DSP系統(tǒng)的理想產品。其串行接口可配置為三線接口。增益值、信號極性以及更新速率的選擇可用串行輸入口由軟件來配置。該器件還包括自校準和系統(tǒng)校準選項，以消除器件本身或系統(tǒng)的增益和偏移誤差。
1 AD7705／7706的特點
(1) AD7705：2個全差分輸入通道的ADC
(2) AD7706：3個偽差分輸入通道的ADC；16位無丟失代碼；0．003%非線性
(3) 可編程增益：1～128
(4) 三線串行接口SPITM、QSPITM、MICROWIRETM和DSP兼容
(5) 有對模擬輸入緩沖能力
(6) 2．7～3．3V或4．75～5．25V工作電壓
(7) 3V電壓時，最大功耗為1mW
(8) 等待電流的最大值為8mA
(9) 16腳DIP、SOIC和TSSOP封裝
2 AD7705／7706的引腳排列及功能
AD7705／7706的引腳排列如圖2，引腳說明見表1。
3 AD7705／7706片內寄存器
AD7705／7706包括6個用戶可通過串行口訪問的片內寄存器。
第一個是通訊寄存器，它管理通道選擇，決定下一個操作是讀操作還是寫操作,以及下一次讀或寫哪一個寄存器。所有與器件的通訊必須從寫通訊寄存器開始。上電或復位后，器件等待在通訊寄存器上進行一次寫操作。
第二個寄存器是設置寄存器，決定校準模式、增益設置、單／雙極性輸入以及緩沖模式。
第三個寄存器是時鐘寄存器，包括濾波器選擇位和時鐘控制位。
第四個寄存器是數據寄存器，器件輸出的數據從這個寄存器讀出。
第五個寄存器是零標度校準寄存器，AD7705／7706包含幾組獨立的零標度寄存器 ，每個零標度寄存器負責一個輸入通道。它們都是24位讀／寫寄存器。
第六個寄存器是滿標度校準寄存器，AD7705／7706包含幾組獨立的滿標度寄存器 ，每個滿標度寄存器負責一個輸入通道。它們都是24位讀／寫寄存器。
4 AD7705／7706的接口時序
如前所述，AD7705／7706的編程功能用片內寄存器的設置來控制。對這些寄存器的讀／寫操作通過器件的串行接口來完成。
AD7705／7706的串行接口包含5個信號：CS、SCKL、DIN、DOUT和DRDY。DIN線用來向片內寄存器傳送數據，而DOUT線用來訪問寄存器里的數據。SCLK是串行時鐘輸入,所有的數據傳輸都和SCLK信號有關。DRDY線作為狀態(tài)信號，以提示數據什么時候已準備好從寄存器讀數據。輸出寄存器中有新的數據時，DRDY變?yōu)榈碗娖健S是片選信號,用來選擇器件。圖3和圖4是AD7705／7706的接口時序圖。圖3是從AD7705／7706的輸出移位寄存器讀數據的時序圖。圖4則是向輸入移位寄存器寫入數據的時序圖。
5 AD7705／7706在智能儀器儀表中的應用
AD7705提供雙通道、低成本、高分辨率模數轉換功能。由于采用Σ-△結構實現模數轉換，使得該器件在噪音環(huán)境下能免受干擾，因此它很適合于工業(yè)控制用。同時它還提供了可編程的增益放大器，數字濾波器和校準選項。因此，它提供比普通的積分ADC更多的系統(tǒng)功能，而且沒有必要有高質量的積分電容器的缺點。
片上PGA允許AD7705處理低至10mV（滿標度）的模擬輸入電壓(VREF＝+1．25V)。器件在非緩沖模式下工作時，差分輸入使模擬輸入范圍的絕對值處于GND和VDD之間的任一值。由此器件允許將傳感器直接與AD7705的輸入端相連。下面是由本人開發(fā)的“Q－101軸瓦厚度測量儀”的具體應用。
本測量儀是采用氣動測量原理進行測量。就是以空氣作為介質，利用空氣流動時的特性來實現機械量的測量。氣動量儀按工作原理可分為流量式和壓力式兩類?！癚－101軸瓦厚度測量儀”采用的是壓力式氣動量儀，把被測量的變化轉換成空氣壓力的變化量，然后通過測量壓力信號來測量軸瓦的厚度。其原理如圖5和圖6所示。當經過穩(wěn)壓后壓力為Pa的空氣通過進氣噴嘴，經測量噴嘴和擋板之間的間隙逸入大氣時，背壓Px與間隙S之間的關系如圖6所示，這種背壓與間隙之間的關系是一一對應的。系統(tǒng)組成框圖如圖7所示。首先，用壓力傳感器來測量背壓Px，然后，將傳感器輸出的差分信號送到模數轉換器（AD7705芯片）中，進行模數轉換，再將得到的數字量送入單片機（采用LG公司生產的GMS97C52單片機）進行數據處理。最后，送入顯示窗口（LED）。在設計制作中，應注意以下問題：
由于模擬輸入和基準輸入是差分的，模擬調制器的大部分電壓都是共模電壓，AD7705／7706的良好的共模抑制性能能消除這些共模輸入信號里的共模噪聲，數字濾波器能抑制供電電源產生的除了調制器采樣頻率整數倍的頻率以外的寬帶噪聲。此外 ，數字濾波器還能消除模擬和基準輸入信號里的噪聲不使模擬調制器飽和。但是，由于它的分辨率太高，而要求的噪聲電平太小，所以，必須注意接地和電路布線。
AD7705／7706的印制板電路必須按規(guī)格設計，以確保模擬區(qū)和數字區(qū)分開并各自限定在電路板上的一定區(qū)域。利用接地平面可以很容易地將它們分開。因為這樣能使屏蔽性能最好。應在一個地方將模擬和數字接地平面連接在一起，以避免出現接地環(huán)路。應避免在元器件下面走數字線，因為這樣會造成片內噪聲成倍增加。AD7705／7706的電源線應用足夠粗的，以便降低線路阻抗，同時減少電源供電的尖峰信號的影響。時鐘信號不能在模擬輸入信號附近通過，模擬信號和數字信號之間應避免相互交叉。所有的模擬電源都應去耦。用10μF并聯一個0．1μF的陶瓷電容接GND去耦。
在工業(yè)過程控制、醫(yī)療器械、電子稱及多媒體等許多應用中，對系統(tǒng)的速度、功耗及成本等性能的要求越來越高。自上世紀70年代中期以來，大多數單片模數轉換器采用了積分、逐次逼近或并行比較技術，進入80年代Σ-△技術進一步擴展了選擇的余地。
Σ-△轉換器具有相對簡單的結構，又稱為過采樣轉換器。這種轉換器由Σ-△調制器及連接于其后的數字濾波器構成（圖1）。調制器的結構非常近似于雙斜率ADC，包括一個積分器和一個比較器，以及含有一個1位DAC的反饋環(huán)。這個內置的DAC僅僅是一個開關，它將積分器輸入切換到一個正或負的參考電壓Σ-△ ADC還包括一個時鐘單元，為調制器和數字濾波器提供適當的定時。
窄帶信號送入Σ-△ ADC后被以非常低的分辨率（1位）進行量化，但采樣頻率卻非常高，如2MHz或更高。經數字濾波處理后這種過采樣被降低到一個比較低的采樣率 ，如8kHz左右，同時ADC的分辨率（即動態(tài)范圍）被提高到16位或更高。這種Σ-△技術在模數轉換器市場上占據了很重要的位置。它具有三個主要優(yōu)勢：
(1) 低價格、高性能
(2) 集成化的數字濾波
(3) 與DSP技術的兼容性便于實現系統(tǒng)集成
AD7705／7706是利用Σ-△轉換技術實現了16位無丟失代碼性能。該器件可以接受直接來自傳感器的低電平的輸入信號，然后產生串行的數字輸出。AD7705／7706只需2．7～3．3V或4．75～5．25V單電源。AD7705是雙通道全差分模擬輸入，而AD7706是3通道偽差分模擬輸入，二者都有一個差分基準輸入。當電源電壓為5V、基準電壓為2．5V時，這二種器件都可將輸入信號范圍從0～20mA到0～2．5V的信號進行處理。還可以處理±20mV～±2．5V的雙極性輸入信號。當電源電壓為3V、基準電壓為1．225V時，可處理0～10mV到0～1．225V的單極性輸入信號，它的雙極性輸入信號范圍是±10mV到±1．225V對于AD7705是以AIN(-)輸入端為參考點，而AD7706是COMMON輸入端。AD7705／7706是用于智能系統(tǒng)、微控制器系統(tǒng)和基于DSP系統(tǒng)的理想產品。其串行接口可配置為三線接口。增益值、信號極性以及更新速率的選擇可用串行輸入口由軟件來配置。該器件還包括自校準和系統(tǒng)校準選項，以消除器件本身或系統(tǒng)的增益和偏移誤差。
1 AD7705／7706的特點
(1) AD7705：2個全差分輸入通道的ADC
(2) AD7706：3個偽差分輸入通道的ADC；16位無丟失代碼；0．003%非線性
(3) 可編程增益：1～128
(4) 三線串行接口SPITM、QSPITM、MICROWIRETM和DSP兼容
(5) 有對模擬輸入緩沖能力
(6) 2．7～3．3V或4．75～5．25V工作電壓
(7) 3V電壓時，最大功耗為1mW
(8) 等待電流的最大值為8mA
(9) 16腳DIP、SOIC和TSSOP封裝
2 AD7705／7706的引腳排列及功能
AD7705／7706的引腳排列如圖2，引腳說明見表1。
3 AD7705／7706片內寄存器
AD7705／7706包括6個用戶可通過串行口訪問的片內寄存器。
第一個是通訊寄存器，它管理通道選擇，決定下一個操作是讀操作還是寫操作,以及下一次讀或寫哪一個寄存器。所有與器件的通訊必須從寫通訊寄存器開始。上電或復位后，器件等待在通訊寄存器上進行一次寫操作。
第二個寄存器是設置寄存器，決定校準模式、增益設置、單／雙極性輸入以及緩沖模式。
第三個寄存器是時鐘寄存器，包括濾波器選擇位和時鐘控制位。
第四個寄存器是數據寄存器，器件輸出的數據從這個寄存器讀出。
第五個寄存器是零標度校準寄存器，AD7705／7706包含幾組獨立的零標度寄存器 ，每個零標度寄存器負責一個輸入通道。它們都是24位讀／寫寄存器。
第六個寄存器是滿標度校準寄存器，AD7705／7706包含幾組獨立的滿標度寄存器 ，每個滿標度寄存器負責一個輸入通道。它們都是24位讀／寫寄存器。
4 AD7705／7706的接口時序
如前所述，AD7705／7706的編程功能用片內寄存器的設置來控制。對這些寄存器的讀／寫操作通過器件的串行接口來完成。
AD7705／7706的串行接口包含5個信號：CS、SCKL、DIN、DOUT和DRDY。DIN線用來向片內寄存器傳送數據，而DOUT線用來訪問寄存器里的數據。SCLK是串行時鐘輸入,所有的數據傳輸都和SCLK信號有關。DRDY線作為狀態(tài)信號，以提示數據什么時候已準備好從寄存器讀數據。輸出寄存器中有新的數據時，DRDY變?yōu)榈碗娖健S是片選信號,用來選擇器件。圖3和圖4是AD7705／7706的接口時序圖。圖3是從AD7705／7706的輸出移位寄存器讀數據的時序圖。圖4則是向輸入移位寄存器寫入數據的時序圖。
5 AD7705／7706在智能儀器儀表中的應用
AD7705提供雙通道、低成本、高分辨率模數轉換功能。由于采用Σ-△結構實現模數轉換，使得該器件在噪音環(huán)境下能免受干擾，因此它很適合于工業(yè)控制用。同時它還提供了可編程的增益放大器，數字濾波器和校準選項。因此，它提供比普通的積分ADC更多的系統(tǒng)功能，而且沒有必要有高質量的積分電容器的缺點。
片上PGA允許AD7705處理低至10mV（滿標度）的模擬輸入電壓(VREF＝+1．25V)。器件在非緩沖模式下工作時，差分輸入使模擬輸入范圍的絕對值處于GND和VDD之間的任一值。由此器件允許將傳感器直接與AD7705的輸入端相連。下面是由本人開發(fā)的“Q－101軸瓦厚度測量儀”的具體應用。
本測量儀是采用氣動測量原理進行測量。就是以空氣作為介質，利用空氣流動時的特性來實現機械量的測量。氣動量儀按工作原理可分為流量式和壓力式兩類?！癚－101軸瓦厚度測量儀”采用的是壓力式氣動量儀，把被測量的變化轉換成空氣壓力的變化量，然后通過測量壓力信號來測量軸瓦的厚度。其原理如圖5和圖6所示。當經過穩(wěn)壓后壓力為Pa的空氣通過進氣噴嘴，經測量噴嘴和擋板之間的間隙逸入大氣時，背壓Px與間隙S之間的關系如圖6所示，這種背壓與間隙之間的關系是一一對應的。系統(tǒng)組成框圖如圖7所示。首先，用壓力傳感器來測量背壓Px，然后，將傳感器輸出的差分信號送到模數轉換器（AD7705芯片）中，進行模數轉換，再將得到的數字量送入單片機（采用LG公司生產的GMS97C52單片機）進行數據處理。最后，送入顯示窗口（LED）。在設計制作中，應注意以下問題：
由于模擬輸入和基準輸入是差分的，模擬調制器的大部分電壓都是共模電壓，AD7705／7706的良好的共模抑制性能能消除這些共模輸入信號里的共模噪聲，數字濾波器能抑制供電電源產生的除了調制器采樣頻率整數倍的頻率以外的寬帶噪聲。此外 ，數字濾波器還能消除模擬和基準輸入信號里的噪聲不使模擬調制器飽和。但是，由于它的分辨率太高，而要求的噪聲電平太小，所以，必須注意接地和電路布線。
AD7705／7706的印制板電路必須按規(guī)格設計，以確保模擬區(qū)和數字區(qū)分開并各自限定在電路板上的一定區(qū)域。利用接地平面可以很容易地將它們分開。因為這樣能使屏蔽性能最好。應在一個地方將模擬和數字接地平面連接在一起，以避免出現接地環(huán)路。應避免在元器件下面走數字線，因為這樣會造成片內噪聲成倍增加。AD7705／7706的電源線應用足夠粗的，以便降低線路阻抗，同時減少電源供電的尖峰信號的影響。時鐘信號不能在模擬輸入信號附近通過，模擬信號和數字信號之間應避免相互交叉。所有的模擬電源都應去耦。用10μF并聯一個0．1μF的陶瓷電容接GND去耦。
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