AD7705770616位ΣΔAD转换器原理及其应用.docx
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AD7705770616位ΣΔAD转换器原理及其应用
AD7705770616位ΣΔAD转换器原理及其应用
AD7705/770616位Σ-ΔA/D转换器原理及其应用
AD7705/7706是AD公司新推出的16位Σ-ΔA/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，Σ-Δ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ADC
2.AD7706：
三个准差分输入通道的ADC
3.16位无丢失代码
4.%非线性
5.可编程增益：
1、2、4、8、16、32、64、128
6.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
，QSPITM，MICROWIRETM和DSP兼容
或5V工作电压
电压时，最大功耗为1mW
13.等待模式下电源电流为8μA
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1AD7705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，基准电压为时，器件可直接接受从0～+20mV至0～+摆幅范围的单极性信号和从0～±20mV至0～±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（1～8）是通过在每个调制周期中多重输入采样得到的，而增益（16～128）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fS
1
fCLK/64@fCLK=）
2
2×fCLK/64@fCLK=）
4
4×fCLK/64@fCLK=）
8～128
8×fCLK/64@fCLK=）
2.数字滤波和输出更新速率
模拟信号由Σ-Δ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（sinNx/sinx）3函数低通数字滤波器。
图3所示曲线给出–3db截止频率为的滤波器频率响应。
此截止频率对应的滤波器第一凹口频率是60Hz，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3AD7705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128
Fclk=
50Hz
60Hz
250Hz
500Hz（131Hz）
16
16
13
10
16
16
13
10
16
16
13
10
16
16
13
10
16
15
13
10
16
14
13
10
15
14
12
10
14
13
12
10
fCLK=1MHz
20Hz
25Hz
100Hz
200Hz
16
16
13
10
16
16
13
10
16
16
13
10
16
16
13
10
16
15
13
10
16
14
13
10
15
14
12
10
14
13
12
10
3.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）RS2～RS0：
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
RS1
RS0
寄存器
寄存器位数
0
0
0
通信寄存器
8位
0
0
1
设置寄存器
8位
0
1
0
时钟寄存器
8位
0
1
1
数据寄存器
16位
1
0
0
测试寄存器
8位
1
0
1
无操作
1
1
0
偏移寄存器
24位
1
1
1
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10μA。
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4AD7705的通道选择
CH1
CH0
AIN（+）
AIN（－）
校准寄存器对
0
0
AIN1（+）
AIN1（－）
寄存器对0
0
1
AIN2（+）
AIN2（－）
寄存器对1
1
0
AIN1（－）
AIN1（－）
寄存器对0
1
1
AIN1（－）
AIN2（－）
寄存器对2
B.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。
00 正常工作模式，转换器进行正常A/D转换。
10 零标度系统校准，零基准电压由外部提供。
11 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
G2G1G0
000
001
101
011
100
101
110
111
增益设置
1
2
4
8
16
32
64
128
（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MCLKOUT引脚输出（用于由外部时钟输入到MCLKIN引脚情况下）。
MCLKOUT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（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
CLKFS1FS0
000
001
010
011
100
101
110
111
输出更新速率（HZ）
20
25
100
200
50
60
250
500
–3db截止频率（HZ）
131
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15mV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24kΩ和15kΩ，产生的基准电压为。
当器件的可编程增益为128时，对应的满标度输入电压即为15mV。
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6AD7705用于压力测量的电路
80C51配置为串行接口方式0工作模式。
其数据串口线RXD（）与AD7705的DIN、DOUT引脚连接在一起，并接一个10kΩ的上拉电阻。
时钟接口TXD与AD7705的SCLK（）相连，为传输数据提供时钟。
无数据传送时，TXD应闲置为高电平。
需要说明：
在写操作模式下，80C51的数据输出为LSB在前，而AD7705希望MSB在前，所以数据写之前必须重新排列；同样在读操作时，AD7705输出的数据是MSB在前，80C51要求LSB在前。
读取到串行缓冲器的转换数据在使用之前，需要重新排列顺序。
图7所示为此压力传感数据采集流程图。
图7AD7705的寄存器设置和读取转换数据流程图
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