AD7677在變送器校驗(yàn)裝置直流測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用

1 引言
    模擬信號(hào)的測(cè)量離不開(kāi)A／D轉(zhuǎn)換器。它的性能直接影響到測(cè)量精度。高精度、高速的A／D轉(zhuǎn)換器是實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量的前提，但從成本和設(shè)計(jì)要求來(lái)看，選擇適合的A/D轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。電量變送器校驗(yàn)裝置的直流測(cè)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(guó)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(xiàng)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(chǎng)的大半個(gè)份額，它是那些要求將模擬信號(hào)非常精確地轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的應(yīng)用中最常用、最經(jīng)濟(jì)、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(duì)速度和精度有特殊要求的場(chǎng)合，如高端數(shù)據(jù)采集、CT掃描儀、頻譜分析儀、自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)和通用測(cè)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(wú)失碼，它不僅能實(shí)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(cè)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(shí)間不能超過(guò)1 ms，這樣才能保證全量程的精度：如果兩次轉(zhuǎn)換時(shí)間超過(guò)l ms，則在A／D轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)后將忽略第一次測(cè)量值。所以該模式一般用于需要高速測(cè)量的場(chǎng)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(duì)兩次采樣之間的時(shí)間間隔沒(méi)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(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)，可通過(guò)節(jié)電方式來(lái)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(chǎng)合。

    圖2給出AD7677 A／D轉(zhuǎn)換器的時(shí)序圖。AD7677利用CNVST信號(hào)控制轉(zhuǎn)換，一旦開(kāi)始轉(zhuǎn)換，即使PD端口出現(xiàn)低電平，也不能重新啟動(dòng)或停止轉(zhuǎn)換。CNVST信號(hào)獨(dú)立于CS和RD信號(hào)工作。在AD7677 A／D轉(zhuǎn)換器采樣時(shí)，BUSY信號(hào)為高，此時(shí)可連接單片機(jī)進(jìn)行檢測(cè)；BUSY信號(hào)為低時(shí)，該A／D轉(zhuǎn)換器處于等待狀態(tài)，直到CNVST再次為低時(shí)，則開(kāi)始新的轉(zhuǎn)換。

    AD7677支持串行通訊和并行通訊。為便于高速測(cè)量，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(hào)使能時(shí)，若BUSY信號(hào)為低，則讀取目前的采樣值：若BUSY信號(hào)為高，則讀取上次采樣值。圖3給出并行接口的時(shí)序圖。16位數(shù)據(jù)通過(guò)引腳BYTESWAP進(jìn)行控制，并按照8位數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)BYTESWAP位為低時(shí)，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(shí)，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(guò)8位數(shù)據(jù)線讀取16位數(shù)據(jù)。

3 AD7677在系統(tǒng)中的應(yīng)用
    利用一片AD7677、一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)光電耦合器即可構(gòu)成一個(gè)16位、最高采樣頻率可達(dá)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(lái)主要有以下4個(gè)方面：
    (1)基準(zhǔn)電壓當(dāng)采樣轉(zhuǎn)換時(shí)，AD7677以基準(zhǔn)電壓作為參考電壓，所以基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性決定了測(cè)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(zhǔn)器件ADR421來(lái)提供基準(zhǔn)電壓，其輸入電壓為12 V，輸出電壓為2．5 V。圖4給出基準(zhǔn)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(hào)由低噪聲、低漂移、高性能運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)緩沖、放大及阻抗變換，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波，按輸入信號(hào)的大小自動(dòng)切換放大量程。
    (4)單端輸入變雙端輸入信號(hào)采集系統(tǒng)一般都采用單端信號(hào)輸入。為了提高共模抑制比，常常需要將單端信號(hào)變成雙端差分輸入。圖5給出單端輸入變雙端輸入電路。

    在采集系統(tǒng)中已根據(jù)試驗(yàn)設(shè)置A／D轉(zhuǎn)換模式．單片機(jī)只需控制何時(shí)采樣及實(shí)時(shí)處理采樣數(shù)據(jù)即可。單片機(jī)等待采樣命令，當(dāng)接到命令后，打開(kāi)A／D轉(zhuǎn)換器的中斷，片選A／D轉(zhuǎn)換器開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)置軟件計(jì)數(shù)器中的數(shù)值控制采集點(diǎn)數(shù)，這樣既容易改變測(cè)量模塊的參數(shù)，也容易使系統(tǒng)升級(jí)。將每次采集數(shù)據(jù)保存到片外RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

4 結(jié)語(yǔ)
    在裝置中，配合使用AD7677與量程切換電路，實(shí)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(dòng)測(cè)量。在測(cè)量直流電壓或電流時(shí)，由于測(cè)量量程的范圍不同。而且不同的量程系差也不一致，所以補(bǔ)償系數(shù)也有區(qū)別．需要在編制程序時(shí)分別考慮。測(cè)量電流與測(cè)量電壓的子程序流程基本相同，只是在計(jì)算真實(shí)值時(shí)，公式稍有區(qū)別。在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理計(jì)算中，采用平均值數(shù)字濾波方法，使得該裝置的測(cè)量精度達(dá)到0．01％以上，線性度達(dá)到0．005％。由此可見(jiàn)，AD7677型A／D轉(zhuǎn)換器不僅能夠滿足設(shè)計(jì)要求．而且可得到進(jìn)一步推廣應(yīng)用。