周躍鋼1,吳昌林1, 陳光前2(1. 華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 武漢430074;2. 東風(fēng)汽車有限公司 商用車研發(fā)中心,湖北 十堰442001)

     摘　要：介紹了a/d轉(zhuǎn)換器ad7730的基本原理,其中包括a/d轉(zhuǎn)換輸出速率的設(shè)定、內(nèi)部校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)的選擇、接口電路設(shè)計(jì)等。給出了ad7730在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗測(cè)量?jī)x中的應(yīng)用實(shí)例。 關(guān)鍵詞：∑-δ a/d轉(zhuǎn)換器 ad7730 校準(zhǔn) 串行接口 ad7730是美國(guó)adi公司推出的一款高分辨率的a/d轉(zhuǎn)換器,具有雙通道差分模擬輸入、24位無(wú)失碼、21位有效分辨率、±0.0018%線性誤差等特點(diǎn)。由于采用∑-δ轉(zhuǎn)換技術(shù),量化噪聲被移至a/d轉(zhuǎn)換的頻帶以外,因此ad7730特別適合用于寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的低頻信號(hào)a/d轉(zhuǎn)換,具有優(yōu)良的抗噪聲性能。在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗測(cè)量?jī)x中使用ad7730直接與稱重傳感器和單片機(jī)接口,并由單片機(jī)讀入a/d轉(zhuǎn)換值,進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)平均油耗計(jì)算并顯示輸出,就是其應(yīng)用之一。 1 ad7730的工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1.1 ∑-δ a/d轉(zhuǎn)換器原理 ∑-δ a/d轉(zhuǎn)換器的工作原理如圖1所示,它以k倍過(guò)采樣頻率kfs(fs采樣頻率)采樣模擬輸入信號(hào),并通過(guò)噪聲整形電路將fs/2信號(hào)帶寬內(nèi)的大部分量化噪聲移至a/d轉(zhuǎn)換頻帶之外的fs/2至kfs/2之間,電路量化噪聲降為原來(lái)的。模擬低通濾濾器只濾除kfs/2以上的噪聲,因此需通過(guò)數(shù)字濾波器和采樣抽取電路提取頻帶內(nèi)的有用信號(hào),濾除頻帶之外的量化噪聲和無(wú)用信號(hào),提高信噪比和有效分辨率。采樣抽取的原則應(yīng)滿足nyquist采樣定律[2],采樣頻率應(yīng)大于信號(hào)頻率的兩倍(fs>2fa)�！�-δ a/d轉(zhuǎn)換器的數(shù)字濾波器,用戶可通過(guò)軟件編程設(shè)置,從而使a/d轉(zhuǎn)換器可在數(shù)據(jù)輸出速率、峰-峰分辨率、噪聲系數(shù)之間作出最佳的選擇。 圖1 ∑-δ a/d轉(zhuǎn)換器的工作原理圖2 ad7730內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3 ad7730的讀寫周期時(shí)序 1.2 ad7730內(nèi)部結(jié)構(gòu) ad7730內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示,它包含一個(gè)24位的∑-δ a/d轉(zhuǎn)換器、兩級(jí)可編程的數(shù)字濾波器、十三個(gè)片內(nèi)控制寄存器、一個(gè)校正微處理器、兩路差分模擬輸入通道和雙向串行輸入輸出接口。 1.2.1 差分模擬輸入 ad7730具有兩路差分模擬輸入通道,通過(guò)寫入方式寄存器的控制位,可設(shè)置傳感器模擬輸入量程范圍為0～+10mv、0～+20mv、0～+40mv、0～+80mv(四種單極性信號(hào))以及±10mv、±20mv、±40mv、±80mv(四種雙極性信號(hào)),并且能夠?qū)Σ煌鹊膫鞲衅鬏斎胄盘?hào)實(shí)現(xiàn)量程轉(zhuǎn)換。多路轉(zhuǎn)換器mux的輸出在加到片內(nèi)可編程增益放大器(pga)之前,要先與片內(nèi)6位dac的輸出求和,使輸入信號(hào)在pga的允許量程范圍之內(nèi)(dac輸出最大能抵消模擬輸入信號(hào)量程范圍內(nèi)達(dá)±77.5mv的失調(diào)值)。 1.2.2 串行接口 ad7730工作方式的寫入設(shè)置和轉(zhuǎn)換結(jié)果讀出都是通過(guò)串行接口對(duì)片內(nèi)相應(yīng)寄存器進(jìn)行操作完成的。串行時(shí)鐘脈沖sclk是控制a/d串行數(shù)據(jù)傳送的移位脈沖。狀態(tài)標(biāo)志rdy標(biāo)明ad7730數(shù)據(jù)寄存器的狀態(tài)。a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果、校準(zhǔn)系數(shù)、工作方式、數(shù)據(jù)輸出速率則通過(guò)din、dout兩條數(shù)據(jù)線進(jìn)行串行讀寫操作來(lái)完成。圖3是ad7730的讀寫周期時(shí)序。 寫入ad7730的串行數(shù)據(jù)要先寫入輸入移位寄存器。當(dāng)時(shí)鐘邏輯引腳pol為高電平時(shí),執(zhí)行單片機(jī)位操作寫指令,在sclk時(shí)鐘下降沿,將數(shù)據(jù)傳送至ad7730的din串行數(shù)據(jù)輸入端;在sclk時(shí)鐘上升沿,數(shù)據(jù)鎖存到輸入移位寄存器中。當(dāng)移位寄存器規(guī)定的位數(shù)全部寫入時(shí),輸入移位寄存器的內(nèi)容便被傳送至指定的片內(nèi)寄存器。 當(dāng)啟動(dòng)ad7730寄存器的讀操作時(shí),片內(nèi)相應(yīng)寄存器的內(nèi)容傳送到輸出移位寄存器。當(dāng)時(shí)鐘邏輯引腳pol為高電平時(shí),在sclk時(shí)鐘下降沿,數(shù)據(jù)從輸出移位寄存器串行輸出到dout端口鎖存;在sclk時(shí)鐘上升沿,執(zhí)行單片機(jī)位操作讀指令,dout端口的數(shù)據(jù)便經(jīng)串行移位讀入到單片機(jī)。

     2 ad7730在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗測(cè)量?jī)x中的應(yīng)用 2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗測(cè)量?jī)x測(cè)量原理 測(cè)量?jī)x的稱重傳感器輸出與油杯和杯內(nèi)燃油重量之和成正比的信號(hào),測(cè)控軟件根據(jù)耗油時(shí)間計(jì)算油杯內(nèi)燃油重量與原有燃油重量的差值,以kg/h或g/s為測(cè)量單位顯示油耗。稱重式測(cè)量方式只與燃油的重量直接相關(guān),而與燃油的密度、容積無(wú)關(guān),因此不存在由于受燃油氣泡的影響導(dǎo)致容積的變化而產(chǎn)生的測(cè)量誤差。測(cè)量精度在很大程度上取決于稱重傳感器和a/d轉(zhuǎn)換器的精度。 a/d轉(zhuǎn)換器與檢測(cè)傳感器接口,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式是設(shè)置前置放大器或接口模塊。以往應(yīng)用雙積分型a/d轉(zhuǎn)換器icl7135或逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器ad574與稱重傳感器接口時(shí),采用運(yùn)算放大器op27或儀表放大器ad620組成前置放大電路,并設(shè)置零點(diǎn)、增益、基準(zhǔn)電壓調(diào)整電位器。通過(guò)前置放大電路與yz108b稱重傳感器接口,將稱重傳感器0～10mv的信號(hào)放大到icl7135的0～2v的接口電平信號(hào)或ad574的0～10v的接口電平信號(hào)。由