基于AD7705的低頻數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)介紹|壹芯微

AD7705具有自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，能夠消除器件的本身和系統(tǒng)的增益以及偏移誤差。是用于開發(fā)智能系統(tǒng)、微控制器系統(tǒng)和基于DSP系統(tǒng)的理想產(chǎn)品。本文主要講述了采用AD7705與89C51單片機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)低頻數(shù)據(jù)采集電路，并詳細(xì)介紹了電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)方法。

1.89C51單片機(jī)介紹

圖1 89C51單片機(jī)

89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的89C51是一種高效微控制器，89C2051是它的一種精簡版本。89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。其特性：

.與MCS-51兼容

·4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器

·壽命：1000寫/擦循環(huán)

·三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定

·128*8位內(nèi)部RAM

·32可編程I/O線·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

·可編程串行通道

·低功耗的閑置和掉電模式

·片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路

2.AD7705介紹

圖2 AD7705

AD7705為完整16位、低成本、Σ-Δ型ADC，適合直流和低頻交流測(cè)量應(yīng)用。其具有低功耗(3V時(shí)最大值為1mW)特性，因而可用于環(huán)路供電、電池供電或本地供電的應(yīng)用中。片內(nèi)可編程增益放大器提供從1至128的增益設(shè)置，無需使用外部信號(hào)調(diào)理硬件便可接受低電平和高電平模擬輸入。其特性：

兩個(gè)全差分輸入通道ADC。

可編程增益前端：增益范圍從1至128。

三線串行接口：SPI®,QSPI™,MICROWIRE™,DSP兼容;SCLK上可接受施密特觸發(fā)器輸入。

提供模擬輸入緩沖。

工作電壓：2.7V至3.3V或4.75V至5.25V。

功耗：最大1mW(3V)。

待機(jī)電流：最大8µA。

16引腳DIP、16引腳SOIC和TSSOP封裝。

3.AD7705與單片機(jī)的接口

首先介紹AD7705與單片機(jī)的連接方法，因?yàn)樗捎么薪涌冢沟门c大多數(shù)單片機(jī)很容易連接。AD7705與8xC51單片機(jī)的接口電路如圖3所示。

圖3 AD7705與8XC51單片機(jī)的接口電路

在一般的簡單系統(tǒng)中，常常只有1片AD7705或其它共用口線的器件，故CS-通常接低電平，節(jié)省了單片機(jī)的輸出輸入控制線，這樣就可以配置成三線連接方式。三線連接方式下決定數(shù)據(jù)寄存器是否被更新也即是確定數(shù)據(jù)寄存器是否可以被讀，只有通過監(jiān)控通信寄存器DRDY-位來判斷，這種做法的代價(jià)是時(shí)間開銷較多，它并不適用于時(shí)效性要求比較強(qiáng)的系統(tǒng)。比較好的辦法是監(jiān)控硬件DRDY-引腳的狀態(tài)，以決定數(shù)據(jù)寄存器是否被更新，硬件DRDY-引腳的輸出與通信寄存器DRDY-位同步，DRDY-引腳一旦變成低電平,表明數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)已經(jīng)更新，可以讀取。所以DRDY-輸出引腳接至CPU的INT0或INT1就可以實(shí)現(xiàn)中斷或者查詢方式的監(jiān)控。但不管是查詢方式還是中斷方式，都需要增加一根數(shù)據(jù)線。在本設(shè)計(jì)中采用了硬件DRDY-引腳查詢的方法。

串行口包含5個(gè)信號(hào)，即SCLK、DIN、DOUT、DRDY-和CS-，通常直接連接到8xC51對(duì)應(yīng)的引腳P3.0、P3.1、P3.2、P3.3，DIN線用來向片內(nèi)寄存器傳輸數(shù)據(jù)，而DOUT線用來訪問寄存器里的數(shù)據(jù)。SCLK是串行時(shí)鐘輸入，所有的數(shù)據(jù)傳輸都和SCLK信號(hào)有關(guān)，對(duì)于與單片機(jī)的接口，為確保芯片數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換可靠，在兩次相鄰的數(shù)據(jù)傳輸之間，應(yīng)將本SCLK置為高電平。DRDY-線作為狀態(tài)信號(hào)，表示數(shù)據(jù)什么時(shí)候準(zhǔn)備好以便從寄存器讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)寄存器中有新的數(shù)據(jù)字的時(shí)候，DRDY-腳變?yōu)榈碗娖健Ｈ绻跀?shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)更新之前，若DRDY-腳變?yōu)楦唠娖剑崾具@時(shí)候不要讀數(shù)據(jù)，避免在數(shù)據(jù)寄存器更新的過程中讀出不可靠的數(shù)據(jù)。

AD770的讀寫操作嚴(yán)格按照時(shí)序進(jìn)行，圖4給出AD7705讀和寫時(shí)序。

圖4 AD7705讀、寫時(shí)序

4.實(shí)際應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

我們?cè)O(shè)計(jì)的是一個(gè)氣象探測(cè)儀器的實(shí)際應(yīng)用電路，專門用于溫度和濕度的模數(shù)轉(zhuǎn)換。因?yàn)閷?shí)時(shí)性要求不太高，因此數(shù)據(jù)讀取采用了查詢方法,這種方法對(duì)一般的應(yīng)用是可以滿足要求的。在圖3電路中，CLCK、DIN、DOUT和DRDY-引腳直接連接80C52的P1.0-P1.3引腳。由CC3和RC5成的復(fù)位電路，通電時(shí)，輸入引腳RESET-處于低電平，復(fù)位所有的邏輯、數(shù)據(jù)濾波器和模擬調(diào)試器，將所有的片內(nèi)寄存器設(shè)置到其默認(rèn)狀態(tài)。使用芯片REF195產(chǎn)生+5V基準(zhǔn)電壓供給AD7705作為參考電壓，同時(shí)作為溫度傳感器的激勵(lì)電流源。注意基準(zhǔn)電壓輸出端應(yīng)該并聯(lián)10μ和1000p去耦電容CC4和CC8，因?yàn)槲⑿〉脑肼曤娖蕉紩?huì)影響轉(zhuǎn)換精度。實(shí)際上，由于AD7705的功耗很小(最大1.1mA)，所以在設(shè)計(jì)中作者將AD7705的電源輸入端VDD直接連接到REF195基準(zhǔn)電壓輸出端第6腳上，從而大大減少了電源干擾造成的轉(zhuǎn)換誤差。第一通道的輸入端加入去耦電路，3個(gè)1000p的去耦電容CC5、CC6、CC7和兩個(gè)10k電阻，因?yàn)橐肓舜箅娙萑ヱ铍娐罚虼诵枰狝D7705工作于緩沖模式。通道2作為供電電壓的監(jiān)測(cè)。

從圖5可以看出，AD7705輸入基準(zhǔn)電壓等于+5V，被y輸入端input2輸入電壓負(fù)端接地，正端最大輸入幅度+0.3V，故增益可以選擇8或者16。input1是從+12V電源分壓得到2.0V左右，可以選擇增益2。注意輸入信號(hào)幅度與增益關(guān)系，通道增益太大放大結(jié)果會(huì)超過基準(zhǔn)電壓+5V，造成轉(zhuǎn)換結(jié)果錯(cuò)誤。

AD7705內(nèi)部只有一套模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，通道1和通道2的選擇通過軟件設(shè)置進(jìn)行切換，實(shí)際應(yīng)用中往往需要對(duì)不同通道采取不同的增益，動(dòng)態(tài)地對(duì)AD7705進(jìn)行增益、通道設(shè)置,很靈活方便地達(dá)到這一目的。

圖5氣象探測(cè)儀電路圖

5.軟件設(shè)計(jì)

使用AD7705之前，首先要對(duì)所有寄存器進(jìn)行設(shè)置，才能保證器件正常工作。在實(shí)際使用中，首先選擇模擬輸入模式(單極性還是雙極性)、是否需要緩沖、時(shí)鐘分頻和輸出更新速率;根據(jù)外部輸入信號(hào)的幅度來決定設(shè)置器件的增益值，本實(shí)例里通道1和通道2輸入信號(hào)都是單極性，但幅度不同，所以循環(huán)選擇通道，選擇相應(yīng)參數(shù)，應(yīng)用中選擇輸入通道單極性、初始增益等于8、數(shù)據(jù)更新速率為250Hz。根據(jù)實(shí)際確定所有參數(shù)以后，對(duì)AD7705芯片進(jìn)行設(shè)置，參數(shù)設(shè)置方法比較獨(dú)特，在設(shè)置參數(shù)之前，首先對(duì)通信寄存器進(jìn)行一次寫操作，來決定下一個(gè)是什么樣的寄存器和什么樣的操作內(nèi)容，再進(jìn)行下一步的參數(shù)寫入，讀者可參考下面的AD7705初始化程序InitADC()。

模擬輸入電路前端加入了一個(gè)簡單的R、C濾波器，會(huì)在輸入電壓中引起增益誤差，必須對(duì)器件進(jìn)行校準(zhǔn)，因?yàn)槊看蜗到y(tǒng)校準(zhǔn)可以對(duì)系統(tǒng)的增益、偏移誤差、以及器件本身的內(nèi)部誤差進(jìn)行補(bǔ)償,所以參數(shù)設(shè)置完畢以后，應(yīng)該對(duì)器件進(jìn)行一次系統(tǒng)校準(zhǔn)，寫入設(shè)置寄存器位MD1和MD0分別為0和1完成系統(tǒng)自校準(zhǔn)，自校準(zhǔn)后自動(dòng)返回正常模數(shù)轉(zhuǎn)換工作模式。實(shí)際中各路輸入信號(hào)幅度往往不完全相同，因此每轉(zhuǎn)換一路就需要一次參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)校準(zhǔn)。還需注意的是，在非緩沖模式下使用時(shí)，系統(tǒng)校準(zhǔn)還可以消除模擬輸入端由電源阻抗引起的任何誤差。

下面是用C51語言編寫的初始化程序:

voidInitADC(void)

{unsignedchari;

ADC-CLK=1;ADC-DIN=1;

for(i=0;i<40;i++){ADC-CLK=0;ADC-CLK=1;}//防止接口迷失，通信寄存器返回到等待寫狀態(tài)

WriteToReg-ADC-Init(0x20);//通道1,下一個(gè)寫時(shí)鐘寄存器

WriteToReg-ADC-Init(0x06);//寫時(shí)鐘寄存器設(shè)置更新速率為250Hz

WriteToReg-ADC-Init(0x10);//通道1,下一個(gè)寫設(shè)置寄存器

WriteToReg-ADC-Init(0x5c);//寫設(shè)置寄存器,設(shè)置成單極性、無緩沖、增益為8、濾波器工作、自校準(zhǔn)

Delay-1ms(50);//延時(shí)

unsignedintWriteToReg-ADC(unsignedintbyteword)

{unsignedintAD16bit,Token;

unsignedchari;

ADC-CLK=1;ADC-CS=0;/*開始*/

Token=0x80;AD16bit=byteword;

for(i=0;i<8;i++)

{if(AD16bit&Token)ADC-DIN=1;/*輸入數(shù)據(jù)位*/

elseADC-DIN=0;

ADC-CLK=1;ADC-CLK=0;ADC-CLK=1;

Token=Token>>1;

}

ADC-CLK=1;ADC-DIN=1;/*結(jié)束*/

return(TRUE);}

初始化以后，CPU就可以從模數(shù)轉(zhuǎn)換器中讀數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)之前必須確定數(shù)據(jù)寄存器的狀態(tài)，有兩種不同的方式查詢，第一種是查詢DRDY-引腳，如果DRDY-引腳處于低電平，這表示數(shù)據(jù)已經(jīng)轉(zhuǎn)換完成，可以讀取。第二種是查詢通信寄存器中的DRDY-位，如果是“0”表示數(shù)據(jù)可以讀取。本例使用前者。讀數(shù)據(jù)流程圖如圖6所示，讀數(shù)據(jù)的頻率為大約每分鐘60次，遠(yuǎn)小于數(shù)據(jù)寄存器更新速率，確保了避免在數(shù)據(jù)寄存器更新的過程中讀出不可靠的數(shù)據(jù)。

圖6 讀數(shù)據(jù)流程圖

為了便于讀者理解，給出讀數(shù)據(jù)寄存器的函數(shù)原代碼如下:

unsignedintReadADC-16BitValue(unsignedcharchannel)

{unsignedintAD16bit,Token;

unsignedchari;

WriteToReg-ADC(0x38|channel);//設(shè)置讀當(dāng)前通道數(shù)據(jù)

while(ADC-DRDY==1){;}//等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好

ADC-CLK=1;ADC-CS=0;

AD16bit=0x00;

for(i=0;i<16;i++)

{AD16bit=AD16bit<<1;

ADC-CLK=0;

if(ADC-DOUT==1)AD16bit=AD16bit|0x01;//讀取數(shù)據(jù)位

ADC-CLK=1;

}

ADC-CLK=1;ADC-DIN=1;

return(AD16bit);

}

6.系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)值得注意的問題

AD7705功能獨(dú)特，具有分辨率高、接口簡單等特點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用有時(shí)會(huì)遇到一些問題，只要注意是完全可以避免的，下面提供幾點(diǎn)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)供參考：

(1)在實(shí)際應(yīng)用中，由于強(qiáng)電磁場、系統(tǒng)中的閃爍信號(hào)干擾或者軟件錯(cuò)誤，不可避免會(huì)造成接口迷失，一旦接口迷失，就無法對(duì)AD7705進(jìn)行正常操作，數(shù)據(jù)也無法從中正常讀出。因此，在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)定時(shí)復(fù)位系統(tǒng)接口，使通信寄存器回到等待寫狀態(tài)，這一過程可以通過向DIN輸入端寫入至少32個(gè)串行時(shí)鐘周期的邏輯“1”以復(fù)位串行接口。同時(shí)也應(yīng)當(dāng)注意，由于接口出現(xiàn)迷失，寫入任何寄存器的信息都是不可預(yù)料的，所以接口復(fù)位后建議將所有的寄存器重新設(shè)置一次。

(2)輸出數(shù)據(jù)可以從串行口上隨機(jī)地或周期性地讀出，讀出速率應(yīng)不超過預(yù)設(shè)的輸出寄存器更新速率。讀數(shù)據(jù)的例程里面不應(yīng)該加入太多的其它操作，確保在下一次輸出數(shù)據(jù)更新之前讀操作已經(jīng)完成，這樣才能避免連續(xù)兩次從數(shù)據(jù)寄存器讀到同樣的數(shù)據(jù)(沒有被更新數(shù)據(jù))。

(3)在設(shè)計(jì)AD7705印刷板電路必須講究布線技巧，布線的好壞直接影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度，甚至?xí)鹦酒ぷ魇С！＝?jīng)驗(yàn)表明，AD7705應(yīng)該布設(shè)在一個(gè)相對(duì)獨(dú)立和集中的區(qū)域，器件面用覆銅作接地平面，起到屏蔽作用。

數(shù)字區(qū)和模擬區(qū)盡可能在底面分開布線，模擬接地與數(shù)字接地應(yīng)只在一個(gè)點(diǎn)連接在一起，以避免出現(xiàn)接地環(huán)路，并用屏蔽網(wǎng)格技術(shù)加以屏蔽，最后要以星型結(jié)構(gòu)接入系統(tǒng)公共接地點(diǎn)。所有電源都要加電容去耦電路，電容器盡可能靠近芯片的電源輸入端。

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