AD7793在高精度温控设备中的应用

摘要：文章介绍了∑-△型ADC转换器AD7793的特点、工作原理和应用，其中包括ADC的接口电路设计、PCB设计以及MCU通过SPI接口对AD7793进行初始化配置等，同时给出了温控设备的实测结果。
关键词：ADC；AD7793；MCU；SPI；高精度温控

0 引言
    温度控制技术已成为工业、农业、科学研究、航空航天和人们生活等各活动中很重要的一个环节，特别是在科学研究、航空航天、生物医药、精密仪器等领域对温度控制精度的要求极高，有时是极其苛刻的。高精度温控仪基于PT1000、MCU、AD7793和OPA548作为核心芯片，具有精度高、结构简单、体积小、稳定性好，成本低廉的特点。本文介绍了AD7793芯片的特点、工作原理和在我们研制的高精度温控设备中的应用。

1 AD7793芯片的特点
    AD7793的内部框图如图1所示，具有以下特点。1)转换精度高，24位数据输出；2)芯片集成度高，它内置24位∑-△调制器、缓冲器、基准电压源、恒流源、仪表放大器和片内数字滤波器；3)3个差分模拟输入通道，可以被配置为缓冲模式或无缓冲模式；4)接口电路要求低，可以直接接收来自应变器或传感器的模拟量输入。5)分辨率高、噪声很低，因此对于前端的抗混叠滤波器的要求也大大降低，一个简单的RC低通滤波器就足够了；6)该芯片具有自校准、系统校准功能，可以消除零点误差、满量程误差及温度漂移的影响。7)三线式SPI接口，通过MCU灵活控制和配置AD7793片内寄存器，实现对AD7793芯片的控制。

2 AD7793芯片的工作原理
    AD7793采用∑-△调制技术，与双积分式的ADC比较，有很高的分辨率和精度。在工作时，AD7793以一定的速率对模拟输入信号连续采样，采样速率受系统时钟的控制。采样信号经BUF、PGA放大，使其输出电平满足电荷平衡ADC的要求，然后转换成数字脉冲序列，该序列经数字滤波器处理后，以确定的速率更新数据寄存器中的数据。数字滤波器的主要作用是抑制串模干扰，不同的更新速率下，AD7793所选择的数字滤波器也略有不同。数据寄存器中的数据可以从SPI接口随机读出。

3 AD7793芯片的应用
    AD7793的接口电路如图2所示。根据系统的测量精度和控制精度要求，选择了RTD传感器PT1000作为测温传感器。PT1000具有良好的长期稳定性、线性度好、响应时间快，测试电流在允许值范围内，自热系数小，满足系统的技术要求。PT1000传感器对温度的变化输出一般是微伏级的微弱信号，但AD7793具有完整的模拟前端功能，内部集成了低噪声仪表放大器，且可以设置增益，因而可以直接输入测量传感器输出的微弱信号，输入信号通过低通滤波后进入AD7793的A／D输入端。

    RTD传感器PT1000电阻接线主要有三种方式：二线制、三线制和四线制。它们的主要区别在于，由于引线电阻的存在，则不同的测温方式得到的测量精度不同，应视使用场合的要求高低而定。二线制精度较低，无法消除线路电阻的影响，环境温度的变化对其影响很大，近距离可以使用；三线制是工业应用中的主流，多一根线主要消除导线电阻的影响，采用惠斯顿平衡电桥，适合远距离传输。四线制应用较少，但精度高，能补偿由导线引起的误差，在高精度测量中广泛应用。在本设备中采用四线制测温的方式，可以完全消除引线电阻所引起的误差，满足高精度测量的要求。
    对于AD7793的∑-△ADC来讲，参考源的选择必须满足低噪声、温漂小的要求。虽然已经内置了电压参考源，无需外接参考源，但为了满足高精度测量的要求，使用了高精度标准参考电阻(0．2ppm)，采用比例测量法，应用这种方法，激励源中的噪声会被抵消掉。

4 AD7793芯片在使用中应注意的问题
4．1 PCB布局
    ∑-△型ADC具有非常高的分辨率以及极低的噪声，因此PCB的布局布线对于实现ADC的高性能有非常大的影响。在PCB的布线中需要注意以下方面：
    (1)电源：如果可能，尽量使用单独的模拟电源和单独的数字电源。而且模拟部分的电源要使用线性电源。如果使用单电源给AVDD和DVDD供电，AVDD和DVDD之间应用磁珠进行隔离。在所有的AVDD的管脚要用0．1 μF和10 μF进行去耦到模拟地上，所有数字电源管脚要用0．1 μF进行去耦，接到数字地上。电源线在PCB上要走尽量宽的线。
    (2)地：系统要分为模拟地和数字地两部分，模拟地和数字地都要是大面积的地平面。ADC芯片本身模拟管脚与数字管脚都物理上分隔开了，因此ADC可以跨在模拟地平面和数字地平面的中间，ADC的AGND管脚要接到系统模拟地，ADC的DGND管脚要接到系统数字地。模拟地和数字地最终在ADC的附近进行一点相接，这样更能有效降低接地阻抗和噪声系数。
    (3)信号：模拟输入信号线线条要宽、采用最短路径靠近AD7793模拟输入端口。信号的模拟部分和数字部分要分开，模拟信号线和数字信号线也要分开，模拟信号线和数字信号线不要穿插，在芯片下面避免走数字信号。
4．2 软件配置
    MCU通过SPI接口对AD7793进行初始化配置，顺序如下：
    (1)复位：由于上电期间的任何毛刺电压可能会破坏寄存器，因此建议在初始化程序中执行复位，即将32个1写入AD7793进行复位。复位后，SPI串行接口、片内寄存器都进入到默认状况，便可针对应用配置器件。
    (2)配置：复位后即可对片内寄存器进行配置。首先写模式寄存器，设置工作模式、输出数据速率和时钟源：然后写配置寄存器，设置极性、增益、基准源、缓冲和通道；最后写IO寄存器，设置电流源和大小。
    (3)校准：配置后，便可以启动校准程序，进行内部校准和系统校准。在校准时，对失调寄存器和满量程寄存器写操作时，AD7793必须处于空闲或省电模式。

5 温控实测结果
    当设置的温度发生变化时，温控仪能通过AD7793根据得到当前实时温度，计算出误差信号，利用PID(比例-积分-微分)计算出合适的控制量，通过PWM技术控制功率放大器，对系统进行控制，获得满意的预期温控目标。在我们研制的高精度温控设备中，温度设置值与温度实际对比结果如表1所示，温控范围要求在40～55℃之间。

6 结束语
    在我们的研究过程中，得到如下经验：通过内部校准和系统校准可消除零点误差、满量程误差及温度漂移的影响；四线制恒流源驱动Pt1000铂电阻，有效克服了导线电阻和自热效应对测量精度的影响；采用PID、PWM技术大大提高了温控精度和稳定度，使得整机的温控误差优于0．1℃。