摘要：介紹了16位Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換器AD7705的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用，并舉例說(shuō)明這種串行輸入/輸出的A/D轉(zhuǎn)換器與微控制器的一般接口方式，指出了微控制器對(duì)AD7705片內(nèi)寄存器編程的關(guān)鍵，并且給出了數(shù)據(jù)手冊(cè)中沒(méi)有的C51接口讀寫程序。

    關(guān)鍵詞：Σ-Δ  A/D轉(zhuǎn)換器 數(shù)字濾波器 增益可編程放大器

　　AD7705是 AD公司新推出的16位Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換器。器件包括由緩沖器和增益可編程放大器(PGA)組成的前端模擬調(diào)節(jié)電路，Σ-Δ調(diào)制器，可編程數(shù)字濾波器等部件。能直接將傳感器測(cè)量到的多路微小信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。這種器件還具有高分辨率、寬動(dòng)態(tài)范圍、自校準(zhǔn)、優(yōu)良的抗噪聲性能以及低電壓低功耗等特點(diǎn)，非常適合儀表測(cè)量、工業(yè)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用。它采用三線串行接口,有兩個(gè)全差分輸入通道,能達(dá)到0.003%非線性的16位無(wú)誤碼數(shù)據(jù)輸出，其增益和數(shù)據(jù)輸出更新率均可編程設(shè)定，還可選擇輸入模擬緩沖器，以及自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)方式。工作電壓3 V或5 V。3 V電壓時(shí)，最大功耗為1 mW，等待模式下電源電流僅為8 μA。　

　　1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

  AD7705是完整的16位A/D轉(zhuǎn)換器。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1。若外接晶體振蕩器、精密基準(zhǔn)源和少量去耦電容，即可連續(xù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。它采用了成本較低但能獲得極高分辨率的Σ-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)，可以獲得16位無(wú)誤碼數(shù)據(jù)輸出。這一點(diǎn)非常符合對(duì)分辨率要求較高但對(duì)轉(zhuǎn)換數(shù)字要求不高的應(yīng)用，例如數(shù)字音頻產(chǎn)品和智能儀器儀表產(chǎn)品等。下面對(duì)該器件幾個(gè)重要部分和特性作簡(jiǎn)要說(shuō)明。

    增益可編程放大器AD7705包括兩個(gè)全差分模擬輸入通道。片內(nèi)的增益可編程放大器PGA可選擇1、2、4、8、16、32、64、128八種增益之一，能將不同擺幅范圍的各類輸入信號(hào)放大到接近A/D轉(zhuǎn)換器的滿標(biāo)度電壓再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，這樣有利于提高轉(zhuǎn)換質(zhì)量。當(dāng)電源電壓為5 V，基準(zhǔn)電壓為2.5 V時(shí)，器件可直接接受從0～20 mV至0～2.5 V擺幅范圍的單極性信號(hào)和從0～±20 mV至0～±2.5 V范圍的雙極性信號(hào)。必須指出：這里的負(fù)極性電壓是相對(duì)AIN(－)引腳而言的，這兩個(gè)引腳應(yīng)偏置到恰當(dāng)?shù)恼娢簧�。在器件的任何引腳施加相對(duì)于GND為負(fù)電壓的信號(hào)是不允許的。輸入的模擬信號(hào)被A/D轉(zhuǎn)換器連續(xù)采樣，采樣頻率fS由主時(shí)鐘頻率fCLK和選定的增益決定。增益（16～128）是通過(guò)多重采樣并利用基準(zhǔn)電容與輸入電容的比值共同得到的。

　　

　　數(shù)字濾波和輸出更新速率模擬信號(hào)由Σ-Δ調(diào)制器變換為占空比被模擬電壓調(diào)制(調(diào)寬)的數(shù)字脈沖串，然后在片內(nèi)使用低通數(shù)字濾波器將其解釋成16位二進(jìn)制數(shù)碼并濾去噪聲，以完成A/D轉(zhuǎn)換。AD7705采用一個(gè)(sinNx/sinx)3函數(shù)低通數(shù)字濾波器，其振幅頻率特性如下：

　　

　　 式中：N為調(diào)制速率與輸出更新速率之比。
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    需要指出器件產(chǎn)生的噪聲源主要來(lái)自半導(dǎo)體噪聲和量化噪聲，PGA放大量和濾波器第一凹口頻率越低，則輸出的半導(dǎo)體噪聲和量化噪聲越小，A/D轉(zhuǎn)換器的實(shí)際分辨率越高。

  校準(zhǔn)和自校準(zhǔn)為提高A/D轉(zhuǎn)換質(zhì)量，AD7705提供自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)兩種功能選擇。每當(dāng)環(huán)境溫度和工作電壓發(fā)生變化，或者器件的工作狀態(tài)改變?nèi)巛斎胪ǖ狼袚Q、增益或數(shù)字濾波器第一凹口頻率變動(dòng)、信號(hào)輸入范圍變化等任一項(xiàng)發(fā)生時(shí)，必須進(jìn)行一次校準(zhǔn)。對(duì)于自校準(zhǔn)方式，校準(zhǔn)過(guò)程在器件內(nèi)部一次完成。AD7705內(nèi)部設(shè)置AIN(+)端和AIN(－)端為相同的偏置電壓，以校準(zhǔn)零標(biāo)度；滿標(biāo)度校準(zhǔn)是在一內(nèi)部產(chǎn)生的VREF電壓和選定的增益條件下進(jìn)行的。系統(tǒng)校準(zhǔn)則是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)增益誤差和偏移誤差，包括器件內(nèi)部誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。在選定的增益下，先后在外部給AIN(+)端施加零標(biāo)度電壓和滿標(biāo)度電壓，先校準(zhǔn)零標(biāo)度點(diǎn)，然后校準(zhǔn)滿標(biāo)度點(diǎn)。根據(jù)零標(biāo)度和滿標(biāo)度的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，片內(nèi)的微控制器計(jì)算出轉(zhuǎn)換器的輸入輸出轉(zhuǎn)換函數(shù)的偏移和增益斜率，對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

    數(shù)字接口AD7705的串行數(shù)據(jù)接口包括5個(gè)接口，其中片選輸入CS、串行時(shí)鐘輸入SCLK、數(shù)據(jù)輸入DIN、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出口DOUT用于傳輸數(shù)據(jù)，狀態(tài)信號(hào)輸出口 用于指示什么時(shí)候輸出數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒。當(dāng) 為低電平時(shí)，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)可用；當(dāng) 為高電平時(shí)，輸出寄存器正在更新數(shù)據(jù)，不能讀取數(shù)據(jù)。器件的A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程是按設(shè)定的數(shù)據(jù)輸出更新速率連續(xù)進(jìn)行的。任何操作都需要對(duì)相應(yīng)片內(nèi)寄存器送入新的編程指令。

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