高分辨率a/d器件ad7711a的性能特点、结构和应用分

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；drdy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

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。

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，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。