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1、基于AD7714的高精度隔离数据采集系统摘要 简要介绍24位Σ-△模数转换器AD7714的性能和特点,详细讲解该芯片在高精度测量仪器中的应用。叙述如何使用AD7714实现多路、多量程的直流电压测量,重点说明SPI数据总线的光电隔离实现办法,并根据工程实践总结提高抗干扰能力的途径和印制电路板的的制作要点。采用上述办法,该数据采集系统成功地组合了多个AD7714,实现多路μA级电流的精密测量。文中给出相关电路原理图和MCS51单片机与AD7714的接口程序实例。关键词AD7714光电隔离SPI数据采集在高精度及多路采样设备中,A／D芯片选
2、用的恰当与否对系统整体性能的表现好坏非常关键。目前,由于数字信号处理技术的快速发展,对信号采集前向通道的器件要求也不断提高,特别是对器件的采样分辨率、采样速度以及采样通道数等参数的要求越来越严格。本系统测量采用极化继电器的力臂控制盒仪器设计,需要测量的数据变化范围大,精度要求高,测量的通道数多。同时,由于本系统测量电路相对复杂,各信号间容易产生干扰,而高速运转的电机信号产生的干扰将会使系统瘫痪。针对上述情况,笔者采用多路输入、高精度的A／D转换器AD7714,与MCU之间的通信采用光电隔离技术。1AD7714的基本情况AD7714是一
3、个完整的用于低频测量应用场合的模拟前端。它的3线串行接口与SPI、QSPI、MICROWEIR兼容。通过软件可对增益设定、信号极性和通道选择作出配置。AD7714的主要特点如下：◇最高可实现24位无误码输出,同时保证0．0015％的非线性度;◇具有前端增益可编程放大器,增益值为1～128,内含可编程低通滤波器和可读写系统校准系数;◇有5通道输入,可根据需要采用3路差分输入或5路准差分输入;◇低噪声(<150nVrms);◇低功耗,典型电流值为226μA(省电模式仅为4μA);◇采用单5V供电(AD7714-5)或单3V供电(AD771
4、4-3)方式。AD7714提供24脚DIP、SOIC、TSSOP及28脚SSOP封装。其引脚功能如图1所示(以24DIP封装为例)。AD7714的功能方框图如图2所示。2系统中的实际应用2.1AD7714外围接口配置POL时钟极性。输入低电平时,数据传送操作中串行时钟的第1个跳变是从低电平至高电平。输入高电平时,数据传送操作中串行时钟的第1个跳变是从高电平至低电平。RESET逻辑输入端。低电平有效输入,它把器件的控制逻辑、接口逻辑、数字滤波器以及模拟调制器复位到上电状态。本系统是通过在DIN输入端写入一系列的1来进行软件复位,使AD7
5、714返回到等待对通信寄存器进行写操作的状态。用软件进行复位需要注意两点：一是AD7714的DIN线写逻辑1至少达32个串行时钟周期;二是写到任何寄存器的信息是未知的,因而要再次设置所有的寄存器。CS芯片选择。用于选择AD7714的低电平有效逻辑输入端。当此输入端由硬件连线设置为低电平时,AD7714工作在其3线接口模式。SYNCL逻辑输入端。当使用多个AD7714时,它用于数字滤波器和模拟调制器的同步。2.2AD7714与MCU的接口AD7714与MCU之间的接口关系如图3所示,图3中给出了输入和输出的电路转换。为了能够获得稳定的数
6、据,AD7714与MCU之间加入光隔离器。光隔离器件采用的是隔离电压高、速度快、共模抑制性强的6N137。由于6N137的速度快,编程中不需要进行适当的延时就能满足光隔离器的电平建立时间。试验表明通过光隔离器,获得的稳定数据能够增加3～4位(二进制位)。AD7714的CS接地,使AD7714始终工作在SPI接口模式。对每个接口模块的控制是通过74LSl25的三态允许端来实现的。对其中一个SPI接口操作时,使其74LSl25处于选通状态,而其他SPI接口的74LSl25处于高阻状态。这样可实现微处理器单独对一个接口进行操作,而不影响其他
7、接口。CPU通过对三态缓冲器74LSl25控制,可实现多个接口共用相同的数据线。图3中的DA-CS是控制具有SPI总线的D／A转换器芯片。6N137外部元件电阻根据自己的实际情况来选取,即不宜过大也不宜过小。为了增加稳定性,最好在电阻的两端并上电解电容。2.3基准电压源AD780 高精度参考电压源AD780为AD7714提供基准电压。其基本特性：通过8脚的悬空或接地,可实现2．5V或3．0V的输出;输出电压范围在2．5V±1mV或3．0v±lmV;输入电压范围可从4～36V来实现2．5V或3．0V的输出。在使用AD780作基准电压
8、源时,其周围的电容一定要按照图4上所给的进行配置,否则,输出的精度会下降很多。特别要注意AD780输出端和地的100μF电容,试验表明这个电容可以使系统的精度提高2～3位(二进制位)。2.4AD7714的模拟前端 在
