A/D變送器在電量變送器校驗測量系統中的應用

　　1、引言
　　
　　模擬信號的測量離不開A／D轉換器。它的性能直接影響到測量精度。高精度、高速的A／D轉換器是實現高精度測量的前提，但從成本和設計要求來看，選擇適合的A/D轉換器至關重要。電量變送器校驗裝置的直流測量電路選擇16位高速、高精度AD7677型A／D轉換器。該器件是美國模擬器件公司（ADI）生產的16bit逐次逼近（SAR）型A／D轉換器，是PulSAR系列SAR型A／D轉換器成員，具有基于一種提供附加零數據等待延遲特性的A／D轉換器結構，零數據等待延遲在數據采集系統中是一項關鍵性因素。
　　
　　目前，SAR型A／D轉換器已占據A／D轉換器市場的大半個份額，它是那些要求將模擬信號非常地轉換成數字信號的應用中zui常用、、zui有效的技術，其速度比同類產品提高50％，精度比同類產品提高3倍多，由于封裝尺寸縮小40％。AD7677是通用的A／D轉換器，適合于對速度和精度有特殊要求的場合，如數據采集、CT掃描儀、頻譜分析儀、自動測試設備（ATE）和通用測試設備。AD7677型A／D轉換器具有1MS／s轉換速率，其積分非線性誤差（INL）和微分非線性誤差（DNL）都為±lLSB，并且無失碼，它不僅能實現高速與高精度，而且功耗也低，通常在1MS／s轉換速率下，功耗小于115mW。
　　
　　2、AD7677特性與工作原理
　　
　　圖1給出AD7677的原理框圖。AD7677具有真正的16位精度，不僅能為測量系統提供較高精度，還能提供3種不同轉換速率，以適應不同應用需求。在高速模式下，該A／D轉換器的zui大采樣速率為1MS／s，它要求兩次轉換時間不能超過1ms，這樣才能保證全量程的精度：如果兩次轉換時間超過lms，則在A／D轉換器啟動后將忽略*次測量值。所以該模式一般用于需要高速測量的場合。在普通模式下，A/D轉換器的zui大采樣速度為800KS／s，它對兩次采樣之間的時間間隔沒有要求，因此該模式適合用于多路數據采集系統中。而在脈沖模式下，可以實現低功耗設計，可通過節電方式來降低采樣間隔期間的功耗，其zui大采樣速率為666KS／s。在采樣速率為100S／s下，其典型功耗為15pW，因此該模式一般用于電池供電場合。
　　
　　圖2給出AD7677A／D轉換器的時序圖。AD7677利用CNVST信號控制轉換，一旦開始轉換，即使PD端口出現低電平，也不能重新啟動或停止轉換。CNVST信號獨立于CS和RD信號工作。在AD7677A／D轉換器采樣時，BUSY信號為高，此時可連接單片機進行檢測；BUSY信號為低時，該A／D轉換器處于等待狀態，直到CNVST再次為低時，則開始新的轉換。
　　
　　AD7677支持串行通訊和并行通訊。為便于高速測量，該系統設計中，將引腳SER／PAR設置為低電平，并采用并行通訊。當RD信號使能時，若BUSY信號為低，則讀取目前的采樣值：若BUSY信號為高，則讀取上次采樣值。圖3給出并行接口的時序圖。16位數據通過引腳BYTESWAP進行控制，并按照8位數據傳輸。當BYTESWAP位為低時，低8位數據由D[7：0]輸出，而高8位數據則由D[15：8]輸出；當BYTESWAP位為高時，低8位數據由D[15：8]輸出，而高8位數據則由D[7：0]輸出。將引腳BYTESWAP連接到地址線上，控制其電平高低，即可通過8位數據線讀取16位數據。
　　
　　3、AD7677在系統中的應用
　　
　　利用一片AD7677、一個驅動器和一個光電耦合器即可構成一個16位、zui高采樣頻率可達1MHz，每組zui大采樣數為32kHz的數據采集系統。影響采集系統性能的參數很多，歸納起來主要有以下4個方面：
　　
　?。?）基準電壓當采樣轉換時，AD7677以基準電壓作為參考電壓，所以基準電壓的穩定性決定了測量的穩定性。這里選擇低噪聲、低溫漂、超高精度的電壓基準器件ADR421來提供基準電壓，其輸入電壓為12V，輸出電壓為2．5V。圖4給出基準電壓參考電路。
　　
　?。?）采樣控制脈沖由外部提供采樣脈沖，其zui高頻率應小于1MHz,，這*據要求，采用8MHz有源晶體振蕩器，經32倍分頻后提供采樣脈沖，其采樣頻率zui終選擇250kHz。
　　
　?。?）模擬輸入信號由低噪聲、低漂移、高性能運算放大器實現緩沖、放大及阻抗變換，并進行適當的濾波，按輸入信號的大小自動切換放大量程。
　　
　　（4）單端輸入變雙端輸入信號采集系統一般都采用單端信號輸入。為了提高共模抑制比，常常需要將單端信號變成雙端差分輸入。圖5給出單端輸入變雙端輸入電路。
　　
　　在采集系統中已根據試驗設置A／D轉換模式．單片機只需控制何時采樣及實時處理采樣數據即可。單片機等待采樣命令，當接到命令后，打開A／D轉換器的中斷，片選A／D轉換器開始采集數據，通過設置軟件計數器中的數值控制采集點數，這樣既容易改變測量模塊的參數，也容易使系統升級。將每次采集數據保存到片外RAM進行數據處理。
　　
　　4、結語
　　
　　在裝置中，配合使用AD7677與量程切換電路，實現了直流電壓在O~10V、直流電流在4~40mA范圍內的自動測量。在測量直流電壓或電流時，由于測量量程的范圍不同。而且不同的量程系差也不一致，所以補償系數也有區別．需要在編制程序時分別考慮。測量電流與測量電壓的子程序流程基本相同，只是在計算真實值時，公式稍有區別。在設計數據處理計算中，采用平均值數字濾波方法，使得該裝置的測量精度達到0．01％以上，線性度達到0．005％。由此可見，AD7677型A／D轉換器不僅能夠滿足設計要求．而且可得到進一步推廣應用。