在智能儀器儀表的數(shù)據(jù)采集中，由于傳統(tǒng)的傳感器信號是模擬信號，所以對于智能化的儀器，肯定需要A/D轉(zhuǎn)換器將多種輸入信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的控制。在許多應(yīng)用場合需要16位以上的高精度測量，而傳統(tǒng)的積分型和逐次比較型A/D實(shí)現(xiàn)起來難度較大，成本很高。因此本電路采用了16位的∑-?型AD7705作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)了電壓、電阻、電流等不同量程信號輸入，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲和顯示。

1.AD7705介紹

AD7705是一種片內(nèi)帶數(shù)字濾波的∑-?型A/D轉(zhuǎn)換器，是為滿足寬動(dòng)態(tài)范圍測量、工業(yè)控制或工藝控制中的低頻信號的輪換而設(shè)計(jì)的。該器件可以接受直接來自傳感器的低電平輸人信號，然后產(chǎn)生串行的數(shù)字輸出，利用∑-?轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)了16位無丟失代碼性能。AD7705串行接口可配置為三線SPI接口，增益值、信號極性以及更新速率的選擇可用串行輸人口由軟件來配置，該器件還包括自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)選項(xiàng)，以消除器件本身或系統(tǒng)的增益和偏移誤差。AD7705的引腳排列如圖1所示，各引腳的功能說明如下：

圖1 AD7705的引腳排列圖

SCLK：串行時(shí)鐘輸入;MCLKIN：主時(shí)鐘輸入，時(shí)鐘頻率為500～5MHz;

MCLK OUT：主時(shí)鐘輸出;/CS：片選，低電平有效;

/RESET：復(fù)位。該端口為低電平時(shí)，可以將控制邏輯、接口邏輯、校準(zhǔn)系數(shù)以及數(shù)字濾波器等復(fù)位為上電狀態(tài);

AIN2（﹢）、AIN2（﹣）：分別為差分模擬輸入通道2的正、負(fù)輸入端;

AIN1（﹢）、AIN1（﹣）：分別為差分輸入通道1的正、負(fù)輸入端;

REFIN（﹢）、REFIN（﹣）：分別為參考電壓的正、負(fù)端。為了確保元件的正常工作，REFIN（﹢）端口的輸入信號必須大于REFIN（﹣）端的輸入;

/DRDY：邏輯輸出。低電平表示可以讀取新的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;高電平時(shí)不可讀取數(shù)據(jù);

DIN，DOUT：分別為串行數(shù)據(jù)輸入和輸出端;

VDD：電源電壓，+2.7～+5.25V;GND：內(nèi)部電路的地電位基準(zhǔn)點(diǎn)。

2.電路設(shè)計(jì)

在該電路設(shè)計(jì)中，必須考慮隔離技術(shù)的實(shí)施，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。并且使A/D轉(zhuǎn)換過程容易進(jìn)行，這是系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.1AD7705輸入電路

基于AD7705的萬能信號輸入電路的輸入端電路圖，如圖2所示：

圖2 AD7705萬能信號輸入電路的輸入端電路圖

圖3 輸入信號接線方式圖

該電路的3個(gè)端子有多種不同的接法，可以實(shí)現(xiàn)多種輸入信號的采集和轉(zhuǎn)換。這里介紹四種輸入信號類型，分別為電壓、電流、熱電偶、熱電阻和電阻，各種輸入信號的接線方式，如圖3所示。AD7705作為數(shù)據(jù)采集電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有兩個(gè)雙差分輸入通道。由于檢測的信號有的是雙極性的，而兩通道是差分模擬輸入，只有將模擬輸入端負(fù)端的電位抬高，才能檢測雙極性信號，因此，將AIN1（﹣）和AIN2（﹣）接至基準(zhǔn)電壓VREF上，基準(zhǔn)電壓值為2.5V，作為輸入電路的模擬地端。用兩通道的模擬輸入正端AIN1（﹢）和AIN2（﹢）來檢測輸入信號，這兩個(gè)輸入端的電壓值分別記為UAIN1（﹢）和UAIN2（﹢），兩檢測電壓最終轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出，因此，通過這兩個(gè)已知的檢測電壓可以得到輸入信號的值。為了提高該萬能信號輸入電路的精度，AD7705的輸入電路部分的所有電阻均為標(biāo)準(zhǔn)電阻。

量程校準(zhǔn)：外加輸入信號的下限值，采用上位機(jī)軟件，按畫面指示（自動(dòng)，手動(dòng)）可進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn);外加輸入信號的上限值，按畫面指示（自動(dòng)，手動(dòng)）可進(jìn)行滿度校準(zhǔn)，結(jié)果存儲在24C64中。

當(dāng)輸入信號為電壓時(shí)，電壓正端接儀表通道A端子，電壓負(fù)端接儀表通道B端子，電壓為0～5V，1～5V，0～2.5V，0～1V，0～100mV，0～55mV，0～25mV，統(tǒng)記為UAB由電路圖可知該電壓信號經(jīng)過兩個(gè)20KΩ的電阻分壓后輸入到通道2，因此由通道2，AIN2（﹢）來檢測該電壓信號，UAB與UAIN2（﹢）的關(guān)系式如下：

當(dāng)輸入信號為電流時(shí)，電流正端接儀表通道A端子，電流負(fù)端接儀表通道C端子，電流值可以為4-20mA，0-10mA，統(tǒng)記為IAC，AC端子之間并聯(lián)250Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻，使線性電流轉(zhuǎn)換為線性電壓，由于基準(zhǔn)電壓的存在，即使輸入電流為0時(shí)，經(jīng)過250Ω和3.6KΩ電阻對基準(zhǔn)電壓的分壓，通道1AIN1（﹢）仍有檢測電壓的存在，AIN1（﹢）的檢測電壓值要減去輸入電流為0時(shí)的檢測電壓值，檢測電壓值同樣是經(jīng)過兩個(gè)20KΩ的電阻分壓后得到的。而輸入電流分為250Ω和3.6KΩ電阻兩個(gè)回路，即這兩個(gè)電阻在電流的回路上是并聯(lián)的。具體的計(jì)算關(guān)系如下：

熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器，它的主要特點(diǎn)是測量精度高，性能穩(wěn)定。熱電阻測溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而變化這一特性來進(jìn)行溫度測量的，當(dāng)輸入信號為溫度時(shí)，通過熱電阻來檢測溫度，實(shí)際上輸入信號就變成了熱電阻，求得熱電阻的阻值，通過熱電阻的阻值與溫度的對照關(guān)系就求出了溫度值。

由于熱電阻要安裝在被測環(huán)境中，距離電阻測量裝置有一定距離，這樣實(shí)際測量的時(shí)候就會帶來導(dǎo)線電阻的誤差，因此實(shí)際使用熱電阻的時(shí)候都是采用三線制接法，通過電路處理，剔除了導(dǎo)線電阻的影響。

熱電阻一端接儀表通道A端子，另外兩端接儀表通道B、C端子，電阻值可以為Cu50，Pt100，統(tǒng)記為RT。為了推導(dǎo)公式和解釋方便，需要對一些變量進(jìn)行設(shè)定。三根導(dǎo)線的電阻值設(shè)為RL，從基準(zhǔn)電壓源出來的總電流為I，通過熱電阻這一支路的電流為I1，通過250Ω電阻的電流為I2，兩支路的電流最終都通過3.6KΩ電阻，即3.6KΩ電阻的電流也是I，下面開始對熱電阻RT進(jìn)行逐步推到：

由上面三個(gè)式子可以得到I1，計(jì)算整理后得：

在熱電阻這條支路上，由熱電阻、導(dǎo)線電阻和電流可以得到通道1檢測電壓UAC和通道2檢測UAB，即UAIN1（﹢）和UAIN2（﹢）的關(guān)系式：

由公式（6）、（7）和（8）得熱電阻RT的計(jì)算公式如下：

輸入信號為電阻的情況和熱電阻的推導(dǎo)公式相同。

當(dāng)輸入信號為熱電偶時(shí)，熱電偶正端接儀表通道A端子，負(fù)端接儀表通道B端子。按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)，采用S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶作為輸入信號。在AD7705的兩通道對熱電偶進(jìn)行檢測時(shí)，實(shí)際上是對熱電偶的電動(dòng)勢進(jìn)行檢測，因此，熱電偶與電壓作為輸人信號的情況相同，只是最終將測得的電壓值轉(zhuǎn)換為溫度值，有關(guān)冷端溫度補(bǔ)償問題由室溫測量元件測出冷端溫度與輸入電壓進(jìn)行相加。

2.2AD7705輸出電路

基于AD7705的萬能信號輸入電路的輸出端電路圖，如圖4所示;為了確保儀表的穩(wěn)定，在本電路中采用了必要的隔離措施，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，輸入信號模塊與其它模塊之間信號采用TLP115P光電耦合器進(jìn)行隔離，電源采用IB0505LD-W75型DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行隔離，并通過DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生+5V的逆變電壓作為AD7705的工作電壓。

圖4 AD7705萬能輸入電路的輸出端電路圖

該萬能信號輸入模塊中的24C64芯片，是64K的電可擦除可編程存儲器E2PROM。該存儲器是用來存儲AD7705的信息的，在初始設(shè)定時(shí)將AD7705的信息寫入24C64芯片中，這樣AD7705的設(shè)置信息將永遠(yuǎn)保存在該存儲器中，以后不用重復(fù)設(shè)定.24C64芯片和AD7705放在一個(gè)模塊上，可以即插即用，使用方便。

設(shè)計(jì)的這個(gè)基于AD7705的萬能信號輸入電路的輸出端采用SPI串行通信協(xié)議，SPI就是串行外圍設(shè)備接口，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時(shí)為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便。SPI總線系統(tǒng)以主從方式工作，在本電路中SPI總線包括DIN（串行數(shù)據(jù)輸入）、DOUT（串行數(shù)據(jù)輸出）、SCLK（串行時(shí)鐘輸入）和/CS（片選）。

/CS是控制芯片是否被選中的，也就是說只有片選信號為低電平時(shí)，對AD7705的操作才有效。因此將片選管腳直接接地，也就是讓AD7705始終處于工作狀態(tài)，這時(shí)SPI總線實(shí)際上就只剩下DIN、DOUT和負(fù)責(zé)通信的三根線了，通信是通過數(shù)據(jù)交換完成的，這里先要知道SPI是串行通信協(xié)議，也就是說數(shù)據(jù)是一位一位的傳輸?shù)?，這就是時(shí)鐘線SCLK存在的原因，由SCLK提供時(shí)鐘脈沖，DIN，DOUT則基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)輸出通過DIN線，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿或下降沿時(shí)改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取。完成一位數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)輸入也使用同樣原理。這樣，在至少8次時(shí)鐘信號的改變（上沿和下沿為一次），就可以完成8位數(shù)據(jù)的傳輸。

要注意的是SCLK信號線只由主設(shè)備控制，即由該儀表的CPU來控制，AD7705不能控制信號線。SPI允許數(shù)據(jù)一位一位的傳送，甚至允許暫停，因?yàn)镾CLK時(shí)鐘線由主控設(shè)備控制，當(dāng)沒有時(shí)鐘跳變時(shí)，從設(shè)備不采集或傳送數(shù)據(jù);也就是說，主設(shè)備通過對SCLK時(shí)鐘線的控制可以完成對通信的控制。SPI還是一個(gè)數(shù)據(jù)交換協(xié)議，因?yàn)镾PI的數(shù)據(jù)輸入和輸出線獨(dú)立，所以允許同時(shí)完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出;由于本電路是數(shù)據(jù)采集電路，因此只需要AD7705對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集輸出就可以。

輸出端子信號為：

H-24C64數(shù)據(jù)線和串行同步時(shí)鐘線;

G、F-24C64地址線;

+、--電源線;

E-AD7705串行時(shí)鐘線;

D-AD7705數(shù)字信號輸入、輸出線。

結(jié)束語

本文總結(jié)了采用AD7705的萬能信號輸入電路設(shè)計(jì)。該電路實(shí)測結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，具有多種信號輸入功能。本電路通道數(shù)多，功耗低，精度高，采取隔離設(shè)計(jì)，抗干擾能力強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高，可作為各種智能顯示儀表的數(shù)據(jù)采集電路使用。
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