高精度A/D轉(zhuǎn)換器AD7711A及應(yīng)用
１ AD7711A的主要特點
·高精度，24位無漏碼，輸出±0.0015%的非線性。
·采用Δ-∑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，成本低、噪聲小、抗干擾能力強。
·內(nèi)置可編程增益放大器，增益范圍1～128，可與傳感器直接相連，輸入為雙通道，可切換。
·內(nèi)置可編程數(shù)字低通濾波器。
·內(nèi)設(shè)自校準(zhǔn)電路，有8種可選擇校準(zhǔn)模式，并可直接讀寫自校準(zhǔn)寄存器，有效地去除了零點漂移和增益誤差。
·低功耗（典型應(yīng)用時為25mW）并有省電的待機模式。
·雙向串行接口，可方便地與微處理機和DSP芯片連接。
內(nèi)置的可編程增益放大器使AD7711A能直接和傳感器相連。當(dāng)參考電壓為2.5V，內(nèi)置放大器增益從１變到128時，可接受的信號范圍由0～20mV變到0～2.5V（單端）。提供了RTD激勵恒流源，簡化了RTD測量溫度的電路設(shè)計。AD7711A片內(nèi)的24位可讀寫控制寄存器使微處理機或DSP芯片能方便的控制數(shù)字濾波器的截止頻率、輸入放大器增益、通道選擇以及自校準(zhǔn)模式。AD7711A的一般主時鐘頻率為10MHz，可用單或雙電源供電。A/D 轉(zhuǎn)換速率和數(shù)字濾波器的第一陷波處的頻率相等（即可編程控制）。
２ AD7711A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
AD7711A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖１，它包括一個Δ-∑ADC、數(shù)字濾波器、可編程放大、時鐘發(fā)生器、24位控制／數(shù)據(jù)／校準(zhǔn)寄存器、400μA恒流源。 AD7711A的引腳中SCLK為串行時鐘輸入端；MCLKIN和MCLKOU為主時鐘頻率的連接端；A0為寄存器地址選擇，A0置低時選控制寄存器，置高時選數(shù)據(jù)或自校準(zhǔn)寄存器；SYNC腳為數(shù)字濾波器復(fù)位端；MODE選擇數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r鐘方式（外時鐘或內(nèi)時鐘）；AIN1+、AIN-、AIN2+、AIN2-分別為兩路信號的輸入端；SDATA為串行數(shù)據(jù)的輸出／輸入端；為A/D轉(zhuǎn)換完成端，低電平有效；RFS、TFS分別為輸入或輸出幀同步端；IOUT為400μA恒流源的輸出端，可用作RTD的激勵電流；REFOUT為參考電壓（2.5V輸出端，REFIN-和REFIN+為外加參考電壓輸入端。AD7711A片內(nèi)的數(shù)字濾波器為或第一陷波頻率由控制寄存器中的第12～23位的值決定，數(shù)字濾波器的3dB截止頻率為第一陷波頻率的0.262倍，并等于A/D的轉(zhuǎn)化速率。AD7711A的24位可讀寫控制寄存器的功能說明如表１。其中MSB為BITO,LSB為BIT23。
３ AD7711A的應(yīng)用
３.1 高精度橡膠硫化溫控系統(tǒng)簡介
橡膠的硫化是橡膠生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，整個硫化過程對溫度的要求很高，從室溫升高到設(shè)定溫度的超調(diào)量不超過±0.3°C?硫化溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度±0.3° C的范圍內(nèi)。當(dāng)加料等其它干擾引起的溫度變化時，系統(tǒng)穩(wěn)定溫度的重建時間要求在45秒內(nèi)。本系統(tǒng)通過RTD測量硫化反應(yīng)室的溫度，通過PID調(diào)節(jié)器控制加熱裝置，從而達到對硫化溫度的精確控制。傳統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器沒法達到分辨率要求，因溫度信號屬于緩慢變化的信號，但AD7711A片內(nèi)集成的高穩(wěn)定性的 RTD激勵恒流源使AD7711A成為理想的選擇。圖２為整個硫化溫控系統(tǒng)框圖。
3.2 AD7711A與單片機的接口
由于AD7711A的數(shù)據(jù)串行輸出格式和8751單片機的串行格式相反，所以本設(shè)計中不使用8751的串行口，而采用P1口直接和AD7711A相連。P1.0與A0相連來選擇寄存器，讀寫數(shù)據(jù)的時鐘信號由P1.2給出，串行數(shù)據(jù)由P1.3讀入或?qū)懗觯?font face="宋體" size="3">和INT1相連，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完畢后用中斷方式激活數(shù)據(jù)讀取程序。溫度信號單端輸入，另一通道用于測攪拌器的扭矩，用電橋平衡法測量。具體連接見圖３。
[!--empirenews.page--] 3.3 AD7711A的讀寫時序和單片機代碼
讀寫數(shù)據(jù)、控制、校準(zhǔn)寄存器都通過SDATA數(shù)據(jù)線串行讀寫。數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換完畢后DRDY置低，引起中斷，由A0選擇數(shù)據(jù)寄存器，RFS置低使讀取數(shù)據(jù)有效，每次SCLK上升沿時讀一位數(shù)據(jù)。讀寫時序如圖４。
讀數(shù)據(jù)程序代碼：
RD： SETB A0；讀數(shù)據(jù)寄存器
SETB TFS；
CLR RFS；置0使數(shù)據(jù)有效
CLR SCLK；
MOV R1,#3；
RDD： MOV R2, #8；
RDDD： SETB SCLK；時鐘置高
MOV C,SDATA；讀1位
CLR SCLK；
RLC A；
DJNZ R2,RDDD；是否讀完1BYTE
MOV R0,A@；數(shù)據(jù)存入@R0區(qū)
INC RO；
DJNZ R1,RDD；
寫控制寄存器程序代碼：
WR： CLR A0；寫控制寄存器
SETB RFS；
CLR TFS；使寫入數(shù)據(jù)有效
CLR SCLK；
MOV R1,#3；
WRR: MOV R2,#8
MOV A@R3；由@R區(qū)讀數(shù)據(jù)
WRRR: RLC A；
MOV SDATA,C;
SETB SCLK；時鐘置高
CLR SCLK；
DJNZ R2,WRRR；是否寫完1 BYTE
INC R3；
DJNZ R1;WRR；
3.4 PID調(diào)節(jié)器
PID控制結(jié)構(gòu)如圖５。Tr(K) 、T(K）分別為反應(yīng)室溫度的設(shè)定值和測量值。誤差為PID輸出的調(diào)節(jié)量。
本系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器采用離散PID算法：
將式（１）兩邊進行Ｚ變換，得ＰＩＤ調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)：
式中e(k)——調(diào)節(jié)器輸入偏差
Kp——對象放大倍數(shù)
KI——積分系數(shù)
KD——微分系數(shù)
系統(tǒng)的采樣周期取1.2秒，輸出u(k)為加熱器在1.2秒采樣時間內(nèi)的加熱器開啟的時間，單位為毫秒。假設(shè)受控對象硫化室為一階慣性加純延遲環(huán)節(jié)，測出被控對象的臨界增益和臨界振蕩周期，用Ziegler-Nicholes法整定PID參數(shù)，然后根據(jù)實驗調(diào)節(jié)，求出符合實際的PID調(diào)節(jié)參數(shù)：
在實際的PID調(diào)節(jié)中，由于每次采樣周期中U的輸出最大為1200ms，所以在PID調(diào)節(jié)控制中需要一些輸出限幅，以及對積分項的分離控制。
3.5 結(jié)果分析
溫度控制結(jié)果如圖6，設(shè)定的溫度為160℃進入穩(wěn)態(tài)后波動幅度不超過±0.3℃。從圖中看出溫度控制精度很高，圖中每一行格距離為0.1℃，t1時刻為加料的時間，擾動較少，幅度小于1℃，穩(wěn)態(tài)重建時間＜45秒。并且系統(tǒng)的超調(diào)量很小，整個系統(tǒng)精度達到很高的要求。該硫化溫控系統(tǒng)由我校儀器系和上海化工機械四廠聯(lián)合開發(fā)，經(jīng)濟效益良好。
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