高精度A/D转换器AD7711A及应用

    摘 要： AD7711A是基于Δ-∑技术的高分辨率24位A/D转换芯片，在介绍了其特点和应用之后，给出了一种用AD7711A、单片机和PC构成的高精度橡胶硫化温控系统，该系统的稳态误差精度达±0.3℃。

    在工业生产过程控制中经常需要对某些控制变量进行精确测量，然后通过微型计算机计算出校正量进行控制。传统的NYQUIST率ADC（如积分型、逐次比较型、闪烁型等）无法满足精度要求，美国ANALOG DEVICE公司最近推出的低价、高分辨率A/D器件AD7711A采用了Δ-∑原理，可实现高达24位的分辨率。由于Δ-∑原理采用了过采样、噪声成行和数字抽取[３]等技术，可用较低的成本实现很高的分辨率，并且噪声小、抗干扰能力强，因此特别适合于低频率、高分辨率、宽动态范围的A/D转换。

    １ AD7711A的主要特点

    ·高精度，24位无漏码，输出±0.0015%的非线性。

    ·采用Δ-∑转换结构，成本低、噪声小、抗干扰能力强。   

    ·内置可编程增益放大器，增益范围1～128，可与传感器直接相连，输入为双通道，可切换。

    ·内置可编程数字低通滤波器。

    ·内设自校准电路，有8种可选择校准模式，并可直接读写自校准寄存器，有效地去除了零点漂移和增益误差。

     ·低功耗（典型应用时为25mW）并有省电的待机模式。

     ·双向串行接口，可方便地与微处理机和DSP芯片连接。

    内置的可编程增益放大器使AD7711A能直接和传感器相连。当参考电压为2.5V，内置放大器增益从１变到128时，可接受的信号范围由0～20mV变到0～2.5V（单端）。提供了RTD激励恒流源，简化了RTD测量温度的电路设计。AD7711A片内的24位可读写控制寄存器使微处理机或DSP芯片能方便的控制数字滤波器的截止频率、输入放大器增益、通道选择以及自校准模式。AD7711A的一般主时钟频率为10MHz，可用单或双电源供电。A/D转换速率和数字滤波器的第一陷波处的频率相等（即可编程控制）。

    ２ AD7711A的内部结构

    AD7711A的内部结构如图１，它包括一个Δ-∑ADC、数字滤波器、可编程放大、时钟发生器、24位控制／数据／校准寄存器、400μA恒流源。AD7711A的引脚中SCLK为串行时钟输入端；MCLKIN和MCLKOU为主时钟频率的连接端；A0为寄存器地址选择，A0置低时选控制寄存器，置高时选数据或自校准寄存器；SYNC脚为数字滤波器复位端；MODE选择数据传输的时钟 方式（外时钟或内时钟）；AIN1+、AIN-、AIN2+、AIN2-分别为两路信号的输入端；SDATA为串行数据的输出／输入端；

为A/D转换完成端，低电平有效；RFS、TFS分别为输入或输出帧同步端；IOUT为400μA恒流源的输出端，可用作RTD的激励电流；REFOUT为参考电压（2.5V输出端，REFIN-和REFIN+为外加参考电压输入端。AD7711A片内的数字滤波器为或第一陷波频率由控制寄存器中的第12～23位的值决定，数字滤波器的3dB截止频率为第一陷波频率的0.262倍，并等于A/D的转化速率。AD7711A的24位可读写控制寄存器的功能说明如表１。其中MSB为BITO,LSB为BIT23。

    ３ AD7711A的应用

    ３.1 高精度橡胶硫化温控系统简介

    橡胶的硫化是橡胶生产中的关键环节，整个硫化过程对温度的要求很高，从室温升高到设定温度的超调量不超过±0.3°C硫化温度稳定在设定温度±0.3°C的范围内。当加料等其它干扰引起的温度变化时，系统稳定温度的重建时间要求在45秒内。本系统通过RTD测量硫化反应室的温度，通过PID调节器控制加热装置，从而达到对硫化温度的精确控制。传统的A/D转换器没法达到分辨率要求，因温度信号属于缓慢变化的信号，但AD7711A片内集成的高稳定性的RTD激励恒流源使AD7711A成为理想的选择。图２为整个硫化温控系统框图。

    3.2 AD7711A与单片机的接口

    由于AD7711A的数据串行输出格式和8751单片机的串行格式相反，所以本设计中不使用8751的串行口，而采用P1口直接和AD7711A相连。P1.0与A0相连来选择寄存器，读写数据的时钟信号由P1.2给出，串行数据由P1.3读入或写出，

和INT1相连，数据转换完毕后用中断方式激活数据读取程序。温度信号单端输入，另一通道用于测搅拌器的扭矩，用电桥平衡法测量。具体连接见图３。

    3.3 AD7711A的读写时序和单片机代码

    读写数据、控制、校准寄存器都通过SDATA数据线串行读写。数据A/D转换完毕后DRDY置低，引起中断，由A0选择数据寄存器，RFS置低使读取数据有效，每次SCLK上升沿时读一位数据。读写时序如图４。

    读数据程序代码：

    RD： SETB  A0；读数据寄存器

    SETB  TFS；

    CLR  RFS；置0使数据有效

    CLR  SCLK；

    MOV  R1,#3；

    RDD： MOV  R2, #8；

    RDDD： SETB  SCLK；时钟置高

    MOV  C,SDATA；读1位

    CLR  SCLK；

    RLC  A；

    DJNZ  R2,RDDD；是否读完1BYTE

    MOV  R0,A@；数据存入@R0区

    INC  RO；

    DJNZ  R1,RDD；

    写控制寄存器程序代码：

    WR： CLR  A0；写控制寄存器

    SETB  RFS；

    CLR TFS；使写入数据有效

    CLR  SCLK；

   MOV  R1,#3；

   WRR: MOV  R2,#8

    MOV  A@R3；由@R区读数据

    WRRR: RLC A；

    MOV SDATA,C;

    SETB SCLK；时钟置高

    CLR SCLK；

    DJNZ R2,WRRR；是否写完1 BYTE

    INC R3；

    DJNZ R1;WRR；

    3.4 PID调节器

    PID控制结构如图５。Tr(K)、T(K）分别为反应室温度的设定值和测量值。误差为PID输出的调节量。

    本系统的PID调节器采用离散PID算法：

   

    将式（１）两边进行Ｚ变换，得ＰＩＤ调节器的传递函数：

   

    式中e(k)——调节器输入偏差

    Kp——对象放大倍数

    KI——积分系数

    KD——微分系数

    系统的采样周期取1.2秒，输出u(k)为加热器在1.2秒采样时间内的加热器开启的时间，单位为毫秒。假设受控对象硫化室为一阶惯性加纯延迟环节，测出被控对象的临界增益和临界振荡周期，用Ziegler-Nicholes法整定PID参数[２]，然后根据实验调节，求出符合实际的PID调节参数：

   

    在实际的PID调节中，由于每次采样周期中U的输出最大为1200ms，所以在PID调节控制中需要一些输出限幅，以及对积分项的分离控制。

    3.5 结果分析

    温度控制结果如图6，设定的温度为160℃进入稳态后波动幅度不超过±0.3℃。从图中看出温度控制精度很高，图中每一行格距离为0.1℃，t1时刻为加料的时间，扰动较少，幅度小于1℃，稳态重建时间＜45秒。并且系统的超调量很小，整个系统精度达到很高的要求。该硫化温控系统由我校仪器系和上海化工机械四厂联合开发，经济效益良好。