AD7715的应用（精选9篇）
AD7715的应用 第1篇
基站是移动通信系统的重要组成部分, 在第三代移动通信系统 (3G) 中基站一般由射频前端、数字中频和基带处理构成。由于数字中频处于模拟和数字的转换部分, 因此它的性能往往对基站系统的性能起着决定性作用。目前, 数字中频的上行链路部分通常以高速采样的模拟数字转换器 (ADC) 、数字下变频 (DDC) 及抽取滤波实现。
ADC完成模拟中频信号的数字化。在数字中频接收链路中, A/D变换中的做法是同时使用OverSampling 和UnderSampling两种技术。使用OverSampling技术, 可以提高ADC的SNR, 提高邻道抑制;使用UnderSampling技术, 可以保证在现有A/D器件采样率的条件下, 实现较高频率的模拟中频输入, 相当于完成了一次数字域下变频[1]。以TD-SCDMA协议为例可以计算, 12 b ADC能够满足性能要求。通带取决于奈奎斯特准则在带宽下对采样率的要求, 12载波的信号带为20 MHz, 那么ADC的采样频率久要大于40 MSPS。目前, 市场上TI, ADI, LINEAR, Maxim的产品能够满足要求。另外从性能价格比考虑, 基站设备厂家一般选择12～14 b位宽的ADC, 中频采样频率常用的有:76.8 MSPS, 81.92 MSPS, 122.88 MSPS等。
数字下变频器完成采样数据到基带的转换, 由于DSP处理速度的限制, 用纯软件不能实现这部分功能。目前硬件实现的组成结构与模拟下变频器类似, 包括数字混频器、数字控制振荡器 (NCO) 和低通滤波器 (LPF) 三部分组成。DDC的运算速度受下级DSP处理速度的限制, 同时其运算速度决定了其输入信号数据流可达到的最高速率, 相应地也限制了ADC的最高采样速率。数字下变频的数据精度和运算精度也影响着基站的上行性能。影响DDC性能因素有:一个是输入数据位宽、NCO位宽;二是NCO相位的分辨率[1]。目前常用的DDC实现方式有ASIC, FPGA等, 常用的实现结构为数字混频器、CIC+FIR滤波器和抽取滤波器组成。目前, 市场上有许多专用DDC芯片, 比如TI, Intersil等, 而FPGA实现中Altera和Xilinx都有完成该类滤波器和运算的可选择高速芯片。
最后, 为实现基带I/Q数据流的路由和传输, 往往会进行数据格式转换和串化解串化 (SerDes) 转换。再考虑到众多测试功能, 这部分一般需专门考虑, 这里不多赘述。
1系统需求分析
数字中频是TD-SCDMA基站中的重要组成部分。对数字中频部分性能需求进行量化分析, 可以更清楚地认识数字中频在系统中的位置及其对系统性能的影响, 为数字中频研发和测试的提供参考。
TD-SCDMA协议中规定, 接收机天线口输入有用信号功率在-110～-80 dBm范围内。同时协议中规定, 邻道功率最强为-55 dBm的单码道CDMA信号, 15 MHz射频带内最强带外阻塞信号功率为最小3.2 MHz, 频偏-40 dBm的单码道CDMA信号[2]。ADC入口的最大功率为6 dBm时, 可以估算频链路额定增益为40 dB, 若接收机射频链路的噪声系数可以做到5 dB, 则可以估算ADC输出信噪比应大于74 dB, ADC的有效位宽应大于等于12 b。
计算过程参考如下方法[1,3]:
G=PADmax - (Pinterfer+PAPR)
=6-3- (-40+3) =40 dB
SNRFS =PFS-处理增益-噪声基底
=6-10log (64/1.28) - (-80) +3=74 dB
采样时钟抖动 (Jitter) 和ADC固有的抖动也会恶化信噪比, 在大信号输入时尤为明显。根据SNR=-20 log (2πfσt) , 以采样时钟为100 MHz计算, 当射频部分无带外抑制时, 链路增益为40 dB, 此时Jitter等效ADC输入口噪音功率为-65 dBm, 允许的时钟抖动为5 ps。当射频部分对带外阻塞信号有15 dB抑制时, 链路增益为55 dB, 此时Jitter等效ADC输入口噪音功率为-50 dBm, 允许的时钟抖动为[4]20 ps。
A/D采样信号经过抽取后会混到有用信号带内, 因此在射频链路对阻塞信号没有任何抑制的情况下, 需由数字滤波器将其滤除。最恶劣情况下阻塞信号会比有用信号强70 dB, 因此数字滤波器的远端带外抑制应达到70 dB。滤波器一般选用CIC, ISINC, RRC级联实现, NCO的杂散应小于-80 dB。TD-SCDMA协议中规定, 要采用滚降因子为0.22的根升余弦滤波器 (RRC) 来实现反脉冲成形滤波[2]。图1为一般DDC的实现框图。
2AD6655的结构和工作原理
AD6655是Analog Device公司的一款功能强大的中频接收器件。它内置双通道14 b、最高125 MSPS采样率的ADC, 宽带DDC, 以及功率检测功能。
AD6655具备以下特点[5]:
(1) 1.8 V模拟供电, 1.8～3.3 V输出供电, 有低功耗模式;
(2) 双通道ADC:内部参考电压, 1～2 V输入电平范围, 采样频率最高到125 MSPS, SNR为71.7 dBc to 70 MHz @ 125 MSPS, SFDR为85 dBc to 70 MHz @ 125 MSPS, 85 dB的隔离度;
(3) 内置ADC时钟占空稳定器, 1 ～ 8倍的时钟分频;
(4) 双通道DDC, 包含32位NCO, 半带插值滤波, FIR滤波器;
(5) 复合信号检测功能。
它的结构框图如图2所示[5]。
此款芯片可以应用在:GSM, EDGE, TD-SCDMA, WCDMA, CDMA2000, IMT-2000, WiMax, LTE等领域。
AD6655虽然是一颗14 b高速ADC, 但由于内嵌了抽取滤波器, 所以在产业化阶段并不需要严格的进口许可认证, 对降低系统成本起到很大作用。
3AD6655在TD-SCDMA基站系统中的电路设计
由于AD6655为双路ADC+DDC, 所以在多天线基站系统中使用比较方便, 例如8天线智能天线系统只需要4片AD6655。为满足采样时钟的Jitter要求, 采用AD9510[6]锁定系统时钟并驱动AD6655的采样时钟 (LVPECL逻辑) , 匹配方式为交流耦合。AD6655采用内部参考电压, 模拟中频信号由SMA连接器输入后, 采用1∶4的balun由不平衡输入转换到平衡输入, 可以得出中频信号的溢出告警电平为10 dBm左右, 系统对模拟中频输入信号的功率要求为小于6 dBm。图3为基站的上行结构框图。
153.6 MHz宽度的模拟中频信号经过A/D采样后, 中心频率在30.72 MHz。数据在芯片中会进行进一步的数字下变频转换。进入DDC的输入数据为调制到24×、速率为96×的数据。DDC部分由四大部分组成:NCO, CIC, ISINC滤波器和RRC滤波器。NCO部分完成解调的功能, 将数据分成I和Q两路, 然后I, Q数据经过完全相同的两个通道进行抽取, 分别进行CIC滤波、ISINC滤波器和RRC滤波器, 最后将数据抽取到1×, 送给基带。
AD6655的供电需要模拟1.8 V、数字1.8 V和I/O电压。模拟部分的供电由LDO提供, 核电压1.8 V可以通过磁珠取自LDO, I/O电压使用3.3 V以达到和FPGA相同I/O接口电平。由于单板A/D、D/A通道较多, 模拟数字采用了共地处理[7], 而模拟数字电压进行了电源层分割。
AD6655的控制接口采用3线SPI和控制部分通讯, 内部寄存器通过它进行配置和控制。AD6655有几十个寄存器, 主要为A/D模式、DDC配置、及同步控制等, 芯片上电后由板卡控制单元进行配置。
4信号链的系统仿真
ADC采样后, 153.6 MHz中频频点的三载波信号数字化为中心频点在30.72 MHz的信号。由于是实信号, 因此在负频率处有其镜像信号。
低中频信号进入数字混频器, 转换为多载波0中频信号, 同时将实数数据转换为In-phase和Quadrature正交的两部分分量。
AD6655的第一级滤波器为19阶的半带滤波器, 它实现2倍抽取滤波, 并且不能被旁路, 因此它的带宽也决定了接收链路的最大带宽。器件手册指出最大可用带宽为采样率的11% , 在122.88 MSPS采样率下支持的带宽为27 MHz。AD6655还有一个66阶的FIR滤波器, 为抵消CIC滤波器对有用信号高频抑制的影响, FIR中加入了Inverse Sinc函数对高频信号进行补偿。
2级滤波器的级联频响如图5所示。
经过2级滤波器, AD6655输出信号的频谱特性如图6所示。
FPGA接收到AD6655的信号, 由于已经对信号进行了2倍、或4倍的抽取, 所以FPGA的工作频率就可以降低到ADC采样频率的了1/2或者1/4了。这对FPGA的型号选择和降低成本都是有利的。
FPGA需要继续对信号进行滤波和抽取, 以达到系统ACS和Blocking要求的带外抑制度。由于AD6655可以对数字远端进行-80 dBc的抑制, 那么FPGA只需要对带宽近端进行相应的滤波, 通常90阶滤波器可以实现-50 dBc的带外抑制, 当然采用分级滤波的方式效果可能更明显, 并且一些滤波要在载波分路后进行。
FPGA需要继续对信号进行滤波和抽取, 以达到系统要求的ACS和Blocking带外抑制度。由于AD6655可以对数字远端进行-80 dBc的抑制, 那么FPGA只需要对带宽近端进行相应的滤波, 通常90阶滤波器可以实现-50 dBc的带外抑制, 当然采用分级滤波的方式效果可能更明显, 并且一些滤波要在载波分路后进行。
5仿真结果和评价
由以上仿真来看, AD6655可以满足基站上行链路中的应用, 信号处理后输出给FPGA, 节省了很多FPGA的逻辑单元。在AD6655 Demo板和TD-SCDMA数字中频板卡DIFB 3.0进行了实测, 测试结果完全符合设计要求。总之, AD6655是一款比较合适的数字中频接收链路的器件, 可以应用在3G基站系统中, 具有较高的性价比。
摘要：数字中频是3G基站接收链路一个关键部分, AD6655非常适合完成该部分功能。首先从系统需求出发, 介绍了AD6655的性能参数和突出优点, 然后重点描述它在TD-SCDMA基站系统中的电路设计和信号链性能分析, 最后通过系统仿真结果来看, 它可以大大降低后端FPGA的复杂度, 使得多天线系统使用一片FPGA变为可能, 并大大降低系统成本。
关键词：AD6655,基站,数字中频,模/数转换器,数字下变频
参考文献
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[2]3GPP Specification Detail.TS 25.105:Base Station (BS) radio transmission and reception (TDD) [DB/OL].2008.http://www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/25 series/25.105/25105-660.zip (.pdf) .
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[4][美]Joseph Mitola.软件无线电体系结构——应用于无线系统工程中的面向对象的方法[M].赵荣黎, 王庭昌, 李承恕, 译.北京:机械工业出版社, 2003.
[5]Analog Devices Products.AD6655 Data Sheet[DB/OL].2006-03-24.http://www.analog.com/static/i mported-files/data sheets/AD6655.pdf.
[6]Analog Devices Products.AD9510 Data Sheet[DB/OL].2006-04-21.http://www.analog.com/static/i mported-files/data sheets/AD9510.pdf.
AD7715的应用 第2篇
摘要：介绍了一种高精度单通道16位并行输出A/D转换器LTC1606的功能特点和工作过程，给出了LTC1606与DSP芯片TMS320LF2406A的硬件接口方法以及和数据采集相关的`主要汇编源程序。
关键词：LTC1606 DSP 数据采集
1 LTC1606的主要特点
LTC1606是LINEAR公司生产的具有采样保持功能的16位高速ADC。该ADC分辨率高，采样速率高、功耗小，可在高精度的数据采集系统中广泛应用。其主要特点如下：
●含有16位采样保持功能的模数转换器;
●250kHz采样速率，信噪比达90dB;
●信号输入范围为±10V;
●采用单5V电源供电，典型功耗为75mW;
●片内自带基准源，也可以外接基准源;
●片内自带同步时钟;
●采用28脚SSOP封装;
●带有和MCU兼容的16位并行输出端口。
2 LTC1606的引脚介绍及使用说明
2.1 LTC1606的引脚介绍
LTC1606的引脚排列图如图1所示，各引脚功能及使用说明如下：
VIN：模拟量输入端，使用时应通过200Ω的电阻连接到需转换的模拟输入，满量程为±10V;
AGND1、AGND2：模拟地;
REF：2.5V基准源输入端，通常接2.2μF的旁路钽电容，也可以接外部基准源;
CAP：基准缓冲输出，应接10μF电容旁路到地;
D15～D8：三态数据输出端，当CS为高或R/C 为低时，输出为高阻态;
DGND：数字地;
D7～D0：三态数据输出端，当CS为高或R/C 为低时，输出为高阻态;
BYTE：字节选择端，当BYTE端接低电平时，D15～D0按16位并行输出数据;当BYTE端接高电平时，高8位和低8位分两次并行输出;
R/ C：Read/Convert输入端，当CS为低时，在 R/ C端的下降沿启动采样保持器并进行模数转换，并在R/ C的上升沿将使能数据输出;
CS：片选端，当R/ C为低时，在CS引
AD7715的应用 第3篇
关键词：PLC；闭环系统；4A/D；4D/A；闭环调速
中图分类号：TP335 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）36-0066-02
1 FX2N-4DA转化模块功能
与FX2N-4AD转化模块相对，FX2N-4DA模块是用于将PLC传送来的12位数字量转化成数值对应的模拟量（电压值或电流值）输出到外部，将此模拟量再传送给电气设备。FX2N-4DA有四个输出通道（CH1、CH2、CH3、CH4）。DA模块可以将数字量转化为-10V～+10V的直流电压输出，分辨率为5mV，也可以转化为0～20mA的模拟电流输出，分辨率为20uA。DA模块与FX2N基本单元之间通过缓冲寄存器（BFM）交换数据。DA模块共有32个缓冲寄存器，编号为#0-#31，每个寄存器有16位。与AD模块一致，PLC基本模块也是通过使用FROM/TO指令来读/写DA模块缓冲寄存器中的数据。FX2N-4DA与FX2N-4AD都占用FX2N扩张总线其中的8个点。这8个点可以分配成输入或输出。硬件连接上，DA模块使用数据线与基本单元进行通信，并且由基本单元提供+24V直流电压源。
主要缓冲寄存器（BFM）的功能介绍：
BFM#0：输出模式选择。格式为H，H表示16进制，每个通道中O可以取0、1、2。其代表含义分别为：O=0表示设置为电压输出模式（-10V～+10V）；O=1表示为设置电流输出模式（+4mA～20mA）；O=2表示为设置电流输出模式（0mA～20mA）。#0的缺省值为H0000。BFM#1表示通道1（CH1）的输出数据，可从#1读取通道1的输出数值。同理，BFM#2、BFM#3、BFM#4分别表示通道2到通道4的输出值，基本单元可使用FROM指令进行读取。BFM#29中的数据表示错误状态。当出现错误，#29的对应位会被置1。基本单元可以用FROM从这里读出错误的详细信息，从而分析错误原因纠正错误。BFM#30中存放的数据为K3020，代表DA模块的标识码，可以用FROM读取。使用DA模块程序时，一般先检查#30中的值是否正确。
FX2N-4DA模块在本文的作用简述为：将PLC基本单元利用数据线传到DA模块的数字量转化为数值对应的模拟电压值输出。将模拟电压值输出端口连接到变频器的频率输入控制端，设置变频器的输出频率。变频器频率的输出又决定电机的转速。
PLC上电运行后，M8002为PLC运行后产生一个周期的脉冲，数据寄存器D0中存放的是DA模块的识别码K3020，系统检测无误后M1=1。注意DA模块在本文系统中可安装在其基本单元第二个位置，所以模块位置为K1，安装在第一位置的模块为K0。本文使用DA模块的通道1并将CH1通道设置为电压输出模式（-10V～+10V）。数据储存器D1中存放的值送至DA转化模块。此段程序的功能为：检测DA转化模块通信是否正确，无误后将D1中的数字量送至DA模块进行DA转化。经DA转换后，从CH1输出端将D1中以模拟量电压值的形式输出给变频器。硬件连接上，DA模块模拟量输出通道1的V+（1）、V-（1）分别接到变频器FR、FC端。
PLC中的数字量经DA模块输出给变频器以设置输出频率，控制电机转速。测速发电机输出的模拟量经AD模块送至PLC，乘以反馈系数，得到反馈值实际转速。
2 FX2N-4AD转化模块功能
FX2N-4AD模块是一种精度较高的模拟量输入模块。可用于多种场合，比如温度、压力、流量、电压等模拟量的监控。它有四个输入通道，分别为CH1、CH2、CH3、CH4。FX2N-4AD模块将外部的输入模拟量转化为数字量输出。FX2N-4AD分辨率为12位，分辨率相对较高，模拟量转换成数字主要需经采样、保持、量化、编码四个步骤。
输入的模拟量信号可以为电压信号也可以为电流信号。输入的模拟电压值为-10V～+10V，分辨率为5mV。如果输入的电压值超过上下值（如输入为+12V或者-12V）会以+10V或-10V输入。但一旦输入的电压值超过±15V，单元可能会被损坏。电流的输入有两种形式范围：一种范围为4～20mA，另一种为-20mA～+20mA，分辨率都为20uA。与电压值输入类似，输入的电流值应避免过大，以防损坏器件。
FX2N-4AD内部共有32个缓冲寄存器（BFM），编号为BFM#0～#31。BFM的目的是用AD模块与PLC基本单元进行数据交换的。#0～#31每个缓冲寄存器的位数均为16位。编号不同的缓冲寄存器里面存放着代表不同意义的数值。比如#0中存放初始化通道的设置值，通过此值得设定可以选择不同的通道及电压型、电流型输入。#1中存放着通道1的平均采样次数。PLC的基本单元与FX2N-4AD之间的数据通信是由FROM/TO功能指令来完成的。PLC基本单元使用FROM指令从AD模块的缓冲寄存器中读取数据，使用TO指令向AD模块的缓冲寄存器中写入数据。本质上FROM/TO操作都是针对AD模块中BFM进行的操作。硬件连接上，PLC基本单元用数据线与AD模块进行数据交换，此外为AD模块提供+24V电压源。
FX2N-4AD模块的作用为：将直流发电机测得的代表电机转速的模拟量电压值转化为PLC能进行处理的数字量，通过数据线送到PLC基本单元的指定数据寄存器中。之所以进行AD转化，原因在于PLC基本单元只能处理数字量，所以必须先用AD模块进行模/数转化操作。
PLC上电以后，在运行的第一个周期内进行AD模块通信检测，识别特殊模块识别码是否为K2010。若检查无误，进行下面的程序操作。CMP比较指令占用M3、M4、M5三个辅助继电器。
H3330表示设定CH1为-10V～+10V输入，关闭CH2、CH3和CH4。K1单元中存放着通道1的平均采样次数（有效值为1～4096），基本单元用TO指令对其内容进行改写。CH1的平均值得采样次数设置为8次。K5单元中存放着通道1采样的平均值，利用FROM进行读取。本文中CH1采样的平均值存放在数据寄存器D10中。BON指令的作用为：判断D10第15位的状态，若第15位是1（表示此数为负）则后面的辅助继电器会被置1，否则为0。若电机反转，则D10中存储的值应为负值，执行BON指令的结果是：M10=1。若电机正转，D10中的数值应为正数，M10=0。当M10=1时，执行NEG求补指令，将D10中的值求补仍存放在D10中。M10=0，不执行NEG指令。在硬件连接方面，测速直流发电机的正、负输出端分别接到AD模块的V+（1）与V-（1）端。
PLC中的数字量经DA模块输出给变频器以设置输出频率，控制电机转速。测速发电机输出的模拟量经AD模块送至PLC，乘以反馈系数，得到反馈值实际转速，实现电机的闭环调速。
参考文献
[1] 李耿，宗光华.PC机与PLC串行通信的实现[J].微计算机技术，2012，（4）.
[2] 三菱电机公司.FX2N编程手册[S].2004.
AD7715的应用 第4篇
1 高性能模数转换器AD9230
本系统要处理五路中频信号, 采样精度为12bit, 需采样速率为200MHz。考虑到系统结构对器件尺寸的要求及采样精度、速率的要求, 本系统选用了ADI公司生产的12bit单通道高性能、低功耗和容易使用的模数转换器AD9230。该产品转换速率高达250MSPS, 为宽带载波和宽带系统提供杰出的动态性能。[1]
它在单芯片内集成了包括跟踪保持 (T/H) 和基准电压等所必需功能以提供完整的信号转换解决方案。在1.8V电源供电下, 它的功耗仅有425m W。AD9230需1.8V模拟和数字电源电压以及一个差分时钟支持全部功能。其数字输出与LVDS (ANSI-644) 兼容, 它还可提供数据时钟输出以适合输出数据定时。
AD9230还含有内置基准电压源和采样保持, 两个并行低压差分信号 (LVDS) 输出模式容易与现场可编程门阵列 (FPGA) 连接以及双数据速率模式 (DDR) 将需要的并行输出数据印制线数量减半。使用DCO来为输出数据提供时钟, 帮助捕捉AD9230的数据, 它等于采样时钟速率。在单数据速率模式 (SDR) , 数据必须在DCO上升沿获取。在双数据速率模式 (DDR) , 数据必须在DCO下降沿获取。SDR为默认模式, 通过设置寄存器0x14<3>可以对DDR进行配置。
2 AD9230外围电路的设计
中频数字接收机采用的是射频直接带通采样, 然后把数据送入FPGA中, 采样后的数据经过FPGA的后续处理, 计算出I、Q量。数字电路软件具有可编程的灵活性, 可现场编程。整个硬件系统仅采用一片FPGA来处理, 并采用五片单通道A/D芯片同时同步采样的运行模式。其中FPGA为主控芯片, 通过FPGA对整个系统进行通信和控制, 大大提高了系统的运行速度。主要器件型号为:
由于AD9230的输入信号要求是差分信号, 这样就需要一种能将信号转换成差分信号的电路。如图1所示。
使用一个宽带变压器、匹配电阻及耦合电容的电路, 能够较好的保持高速ADC的高动态范围, 同时又使增益突起和带宽降低效应减至最小。
AD9230对模拟输入的采样是在时钟输入的上升沿进行的, 为获得最佳性能, AD9230采样时钟输入 (CLK+和CLK-) 应采用差分信号。这里采用出色防抖动性能的AD9516系列时钟驱动器AD9230提供差分时钟信号。电路如图2所示。[2]
AD9230具有一个占空因数稳定器 (DCS) , 可以对未采样的边沿重新计时, 为内部时钟信号提供额定的50%占空因数。这样可以提供宽泛的时钟占空因数而不影响AD9230的性能。当启动DCS时, 噪声和失真性能几乎是平坦的。根据系统的要求具体电路连接如图3所示。
AD9230需要用户在RBIAS引脚和地面之间放置一个10千欧姆电阻。该电阻应具有百分之一的容差, 用于设置ADC内核的主电流参考。
PWDN芯片掉电引脚。通过使PWDN为高, AD9230处于待机模式或关电模式。重置PWDN使之为低可使AD9230回到正常的运行模式。
SCLK/DFS (串行时钟) 用于时ADC呈现的读写数据同步。SDIO/DCS (串行数据输入/输出) 为一个双向引脚, 允许数据发送或从内部ADC内存地址寄存器读取数据。
CSB为有效的控制, 可启动或禁止读写周期。
RESET器件复位。
CML引脚提供一个优化内部偏置电压的参考基准。
3 测试结果分析
3.1时钟抖动对ADC信噪比的影响
测试时钟对ADC的性能影响, 我们需要获得输出信号的SNR。利用Altera公司Quartus软件中的Signal Tap模块经过JTAG接口在FPGA中抓取ADC输出的实际数字信号。Signal Tap是一种嵌入式逻辑分析仪, 系统级软硬结合的调试工具, 能够获取、显示可编程片上系统 (SOPC) 的实时信号, 易于观察硬件和软件的交互作用, 实现更高的精度。通过我们的实践证明, 在FPGA上用这种方法抓取数字信号更便捷, 更准确。
将抓取的ADC实际数据导入到MATLAB中, 对数据进行处理得到ADC输出数字信号的幅频特性, 如图4所示。
输入信号频率为150MHz, 由图可知, SNR约为65.87d B, 满足系统要求。
结束语
通过对ADC相应参数的测试, 证明AD9230的采样精度以、速率及其他参数性能良好。相信不仅在中频数字接收机中, 对于其他用到高速ADC的系统如数据通信、测量测试等领域, 这种解决方案也具有很好的应用前景
摘要：ADC是模拟和数字信号处理的桥梁, 在很大程度上决定了系统的整体性能。特别是在中频数字系统中, 传统模数转换电路已难以满足系统对采样精度、速率的要求。针对这种情况, 本文提出一种新的解决方案, 采用AD9230给系统提供高质量的采样精度及速率。最后测试了系统的性能, 整体指标达到设计要求。
关键词：中频,ADC,采样精度
参考文献
[1]AD9230 Analog Devices Handbook.2007.
[2]AD9516 Analog Devices Handbook.2007.
AD7715的应用 第5篇
在现代的各种自动化系统中, 需要检测各种物理量[1], 例如:力矩、压力、加速度、重量等参数。实际上, 常通过应变片式传感器将这些变化的物理量转换为电压信号进行测量, 而这类传感器一般采用电桥式电路结构[2], 其输出灵敏度只有几个m V/V左右, 即使在满载情况下, 应变片的最大输出也只有数十m V, 这就存在小信号的放大问题, 要求前置测量放大电路具有高增益、高精度、低噪声、低漂移、低失调等特点。一般集成运算放大器很难满足, 即使常用的工业仪表放大器, 也存在失调电压和温漂过大的问题, 如不采取措施处理, 将会使放大器输出存在严重非线性。本文提出采用具有自动稳零功能的数字可编程精密传感器信号放大器AD8557对小信号放大的方法, 能很好地解决既抑制温漂又放大微弱直流信号这个问题, 以满足精密应变测试系统的设计要求。
本文首先对AD8557进行了简要介绍, 然后对其电路结构、增益设置方法和自动稳零原理等进行了详细分析, 将其在一高精度转矩测量系统中进行了应用, 并对实验结果进行了分析, 证明了该电路的较强实用性。
1 AD8557简要介绍[3]
为了满足传感器测量中对于增强性能、降低成本和减少电路板面积的需要, 美国ADI (Analog Devices Inc.) 公司推出了一种采用自动稳零技术, 数字可编程传感器信号放大器AD8557。该芯片广泛用于桥式应力计、热电偶、汽车传感器、精密电流测量等传感器测量中。
AD8557具有极低的输入失调电压和输入失调电压漂移, 在规定温度范围内最大值为10μV, 因此具有很高的直流精度。其增益可通过一个单线串行接口进行数字编程, 增益调整可在电路中进行模拟, 然后通过熔断多晶硅熔丝固定其设置, 也可对其输出偏置电压进行设置, 这样就避免了在双极性放大中采用正负两路电源供电。利用ADI公司的低噪声自动稳零和Digi Trmi专利技术, AD8557可在一个非常紧凑的空间内实现非常精确和灵活的信号处理解决方案, 有效减小了系统成本, 减小了印制板面积, 提高了系统抗干扰性和可靠性。另外, AD8557提供传感器线开路和短路故障检测功能, 还提供输出电压箝位功能, 便于驱动低压A/D转换器。
2 AD8557的内部结构和工作原理
AD8557的内部电路结构如图1所示, 该芯片提供了从应变片传感器到A/D转换器的完整信号链路[3]。它包括一个由三个自动调零放大器 (A1、A2、A3) 构成的仪表放大器、用于调节两级增益的数字电位器、一个用于调节输出偏置的DAC、传感器线开路和短路故障检测电路和一个保护后级电路的输出箝位电路。
图中, A1和A2构成放大器的第一级, A3构成放大器的第二级, A1、A2及A3均可实现自动调零, 以减小输入失调电压引起的误差, 它们共同构成仪表放大器主电路。P1、P2和P3、P4是用于调节两级放大器增益的数字电位器, 通过编程能对放大器增益进行28~1300的大范围调整。A4是一个电压跟随器, 为输出级A3提供正电源, 从而对A3输出的正向摆幅进行限定, 箝位放大器输出, 所以AD8557允许驱动工作电压低于其工作电压的A/D转换器工作。VCLAMP输入阻抗较高, 不允许悬空, 当不需对输出电压进行限幅时, 可以直接将其连接到正电源端。
2.1 增益设置方法
增益可以通过单线串行接口进行设置, 其范围为28~1300, 两级增益可以单独设置。第一级增益是通过调整数字电位器P1和P2的128步7位编码进行调整, 范围为2.8~5.2, 其计算公式为
第二级增益调整是通过调整数字电位器P3和P4的8步3位编码, 范围为10~250, 第二级增益与编码值的关系如表1所示。放大器总增益为
在设定值被永久性固定之前, 为获得最佳校准精度, 可暂时地进行增益设置、调节, 当获得最佳校准精度后, 利用Digi Trmi技术, 通过熔断多晶硅熔丝固定其增益设置。
8位的DAC可提供一个可设置偏置电压, 用于补偿输入信号的失调误差和 (或) 给输出信号增加一个固定偏置电压。例如, 该偏置电压可用于处理单电源系统中双极性差分信号。像增益一样, 输出偏置电压可暂时地被设置、调节, 然后通过熔断熔丝进行永久性设置。DAC的输出电压与配置寄存器编码的关系为
那么放大器输出电压为
2.2 自动稳零原理
自动稳零是一种动态地抵消失调电压和失调电压漂移的技术, 它能将相对输入端的失调电压降低到μV级, 将失调电压漂移降低到nV/℃级。动态抵消失调的另一优点是可降低低频噪声, 特别是1/f噪声。自动稳零运算放大器的基本指导思想是:如果能将运放两个输入端短路时或加共模输入信号时的输出电压 (误差电压) 先用电容器寄存起来 (简称采样) , 再与运放正常工作时的输出电压相减 (简称校零) , 则可有效地减小失调电压、失调电流及温度变化和电源电压波动所引起的漂移, 也可有效地抑制共模信号。
图2为自动稳零原理简图。该电路包括一个调零放大器 (AA) , 一个宽带放大器 (AB) , 存储电容CM1、CM2和电子开关。自稳零的实现需要两个连续的时钟周期, 每个周期为一相, 分别为“调零相”和“输出相”, 电路通过电子开关切换两相循环工作。
当A全部闭合B全部断开时, 工作在调零相。调零放大器的输入被短路并被连接到放大器的反向输入端VI-, 通过调零增益 (-BA) 来调零。同时, 调零电压被加在电容CM1上。在该相, 输入端的信号被AB直接放大。当φA全部断开φB全部闭合, 工作在输出相。调零放大器连接到信号输入端, 存储在电容CM1上的调零电压在此相仍然继续减小AA的输出失调电压, 输入信号被调零放大器放大并通过调零增益 (BB) 送至宽带放大器, 调零放大器的输出电压同时加在存储电容CM2上。这样, 总失调电压见 (5) 式, 由于BB很大, 故总失调电压很小。
其中:
VOSA—调零放大器输出失调电压;
VOSB—宽带放大器输出失调电压。
当返回到调零相后, 存储在CM2上的电压继续修正整个传感器信号放大器的失调电压。这样周而复始的转换由内部的时钟和逻辑电路进行控制。
3 AD8557在转矩测量系统中的应用
转矩测量在工业生产和测试场合经常使用, 图3是基于自动稳零传感器信号放大器AD8557和单片机ADμC848的转矩测量系统。ADμC848是美国ADI公司的一款微控制器, 单片带8路16位高精度A/D转换器, 无需外扩A/D, 简化了系统设计。该微控制器兼容3V和5V供电, 本系统采用5V供电。图中DIGIN和DIGOUT为AD8557的数字输入口和数字输出口, 分别与微控制器ADμC848的P1.1和P1.2口相连, 通过微控制器配置放大器的增益和输出偏置电压。为了抑制干扰, 在AD8557的输入端设计了RFI抑制电路, 其输出端设计了低通滤波器[4]。并且, 通过将数字电源和模拟电源分离, 数字地和模拟地分离, 减小数字电路对模拟电路的干扰, 可以有效提高A/D转换器的精度。
待测应变片转矩传感器由北京三晶创业科技集团有限公司研制, 转矩量程1N·m, 灵敏度0.979mV/V, 满量程输出为-5mV~+5mV。由于传感器输出有正负, 将AD8557输出偏置电压VDAC设置在2.5V, 通过 (3) 式初步计算得寄存器代码为127.5, 然后通过文献[3]的方法对偏置电压进行校准, 最终获得0.392%精度的2.5V偏置电压时寄存器代码为129。按照放大后的电压均匀布满A/D转换器量程的原则, 将总增益GAIN设置为481, 其中一级增益GAIN1=4.81, 通过 (1) 式计算配置寄存器代码为111, 二级增益GAIN2=100, 查表1得配置寄存器代码为5。
4 试验结果分析
图4为该转矩传感器简易测试装置图。最左面是海安兰菱机电设备有限公司的FZ5.J型磁粉制动器, 用于静态加载, 实际测试时, 给磁粉制动器加额定电流, 使之提供最大加载力矩, 固定整个轴系使之不随外加力的作用而发生旋转位移。标准转矩传感器为北京三晶创业科技集团有限公司的JN338 V型小量程无摩擦力传感器 (0.5级精度, 2N·m量程) , 用于与应变片的测量值进行比对, 以验证待测传感器输出是否正确。对待测应变片转矩传感器右侧施加外力, 进行测试。
图5为转矩校准测试曲线图, 其为经换算的应变片转矩传感器测试转矩与标准转矩传感器对应关系, 其中 (a) 为正向转矩时测试曲线, (b) 为反向转矩时测试曲线。图中星点表示本系统测试值, 直线斜率为1, 用于与测试值进行比对。
可见, 本系统测试值基本与标准转矩传感器输出值相等, 经计算, 最大误差0.53%, 验证了该电路的有效性。实验结果表明, 该电路线性度优良、精度高、温漂小、可靠性高、抗干扰能力强, 非常适合工业场合中高精度的应变测试系统中应用。
5 结论
在高精度转矩测量系统的设计中, 应用数字可编程传感器信号放大器AD8557, 不但简化了电路设计, 提高了测量的精确性, 而且通过AD8557集成的可设置增益、可设置输出失调电压、零漂移、故障检测和输出箝位功能, 提供了一个完整的从传感器到A/D转换器的信号调理链路, 设计和调试都非常容易, 使用起来也很方便, 所以该电路在传感器测量电路中具有很高的实用价值。
摘要：针对传统应变测量中由于仪表放大器的失调电压和失调电压温漂较大引起的非线性问题, 提出采用具有自动稳零功能的传感器信号放大器AD8557进行放大的方法。通过AD8557在一高精度转矩传感器中的应用及实际测试表明:该电路线性度优良、精度高、温漂小、可靠性高、抗干扰能力强, 非常适合在高精度的应变测试系统中应用, 对其它应变测试系统的电路设计具有借鉴意义。
关键词：传感器信号放大器,应变测量,自动稳零,高精度
参考文献
[1]吴丽华, 童子权, 张剑.电子测量电路[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2004:37-46.
[2]GHALLAB, Y.H.;BADAWY, W.A newtopology for a current-mode wheatstone bridge[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems, 2006, 53 (1) 18-22.
[3]Analog Devices, Inc.Digitally ProgrammableSensor Signal Amplifier AD8557[Z].Datasheet, 2007~2008.
AD7715的应用 第6篇
随着现代工业技术的高速发展,电动执行机构在国防、石油、化工、电力等重要工业现场广泛应用,因此电动执行机构的性能检测越来越受到重视,要求也越来越严格。转矩是电动执行机构性能检测最重要的参数。在阀门启、闭过程中,转矩小会导致阀门打不开或关不严;转矩大会对阀门产生冲击,损坏阀门内部结构。采用了高精度模数转换器测量转矩大小成为必然趋势。
AD7731是美国ADI公司开发的24位A/D转换器件,采用Σ-Δ转换技术,具有低噪声、高分辨率、高可靠性与线性度好等优点,其灵活的串行接口可方便与单片机或移位寄存器相连接。直接接收来自传感器的输入信号,测量具有宽动态范围的低频信号,可广泛应用于压力测量、温度测量及工业过程控制等领域。
1 AD7731的主要特点与内部结构
1.1 主要特点
AD7731具有独特的前端增益可编程功能,允许AD7731直接接受来自传感器(如压力传感器或温度传感器)的宽范围输入信号,可分7个档位:
(1)单极性:0～+20mV,+40mV,+80mV,+160mV,+320mV,+640mV,+1.28V。
(2)双极性:0～20mV,40mV,80mV,160mV,320mV,640mV,1.28V。
AD7731采用三线模式串行接口,易与微处理器或数字信号处理器连接,可广泛应用于数据采集系统和可编程逻辑控制系统。AD7731内含12个片内寄存器,通过串行口访问这些片内寄存器可以灵活设置器件的工作方式。AD7731具有如下特性:
(1)采用单电源供电。
(2)分辨率高,AD7731采用先进的∑-△结构,能够获得24位无误码,非线性度为±0.0015%。
(3)输入动态范围宽,采用缓冲差分输入,具有3个差分输入通道或5个单端输入通道。
(4)片内有两级滤波器,具有比传统高分辨率模数转换器更高的抗噪声能力。
(5)内置可编程增益放大器(PGA)。
(6)AD7731温度稳定性高、速度快、输入电压范围宽、功耗低。正常运行方式下最大功耗为67.5 mW,在待机方式下典型功耗仅为50μW。
(7)允许读/写芯片上的校准寄存器,以消除零点误差和满度误差。
1.2 AD7731内部的工作原理
AD7731内部包含信号缓冲区、信号前端可编程增益放大器Σ-△调制器、时钟振荡电路、可编程数字滤波器、双向串行通信端口、寄存器组等(见图1)。AD7731内部还包括12个片内寄存器,分别为通信、方式、滤波、校准、状态、数据等寄存器。AD7731的数据读出和输出速率、数字滤波器的转折频率、放大器增益等设置通过串行接口对内部寄存器进行操作。
在AD7731开始工作时,可以通过设置其内部的寄存器,对AD7731进行参数设置,来控制它的所有功能,并且还可以从片内寄存器中获取重要的状态信息以及模数转换结果。可以通过设置方式寄存器,来设置AD7731的工作方式、输入通道选择、数据寄存器的字长等;通过设置通信寄存器,来设置下一次要访问的寄存器以及对它进行什么操作(“读”或者“写”)。在设置片内寄存器时,必须要先对通信寄存器设置下一次要完成的操作和访问的寄存器。
AD7731的工作原理:AD7731开始工作时(假设已设置好各相关寄存器),当模拟信号输入端接收到模拟信号后,AD7731首先将模拟输入信号进行第一次chop(对于采集到的多组模拟信号,对误差和波动相对较大的信号进行处理,使得整组数据都很平滑),进入其信号缓冲区,然后通过前端可编程增益放大器进入Σ-△调制器调制成数字信号,接着经过数字滤波器,对信号进行第一次滤波和第二次chop,斩波后的信号可以选择22-Tap型滤波器或FASTSTEPTM型滤波器进行第二次滤波,然后该信号进行零刻度校准和满刻度校准,最后输出数字信号,这样就完成了一次A/D转换。
2 转矩测试的应用
电动执行机构测试装置选用压阻式拉力传感器,安装在电动装置与加载台之间的转轴上。拉力传感器输出的电压信号为毫伏级,信号微弱,采用传统的模数转换器,需要外加放大器、调理电路等,电路构成复杂,且很难保证高精度测量。由于AD7731内部集成了信号运算放大器、数字信号滤波器等,采用AD7731来直接测量拉力传感器的模拟信号,将使电路设计简化,不仅减少外围电路的设计,而且还可以获得理想的、较精确的测量结果。
AD7731具有5通道单端输入或者3对全差分输入方式,它的温度稳定性好、速度快并且输入电压范围宽、功耗低,而且还具有比传统高分辨率模数转换器更高的抗噪声能力。因此,在测试仪电路设计中可选择使用AD7731、整形电路及光耦电路来构成转矩采集电路,如图2所示。
2.1 硬件电路设计
测试系统所采用的CPU为ARM系列,如图3所示。AD7731工作于三线模式(SCLK、DIN、DOUT),SCLK为串行时钟输入端,DIN为数据输入端,DOUT为数据输出端。通过模拟SPI串行总线来实现CPU与AD7731之间的通信,从而实现对AD7731寄存器的设置与访问。硬件电路中,设置模拟信号输入为差分方式,AIN1为正输入端,AIN2为负输入端;AD7731的工作电源为+5V供电,使用高精度基准源来产生稳定、精确的+2.5V参考电压;考虑到AD7731容易受到干扰,采用6路CMOS反向器,对通信过程中的数字信号进行整形,然后由高速光耦进行光电隔离,降低通信过程中外界的干扰。
2.2 软件编程实现
结合硬件电路,通过软件编程,实现写寄存器、读寄存器、调用子程序实现A/D转换,使AD7731正常工作。
2.2.1 写寄存器
在硬件电路中,设置管脚POL为低电平,CS为低电平,当POL极性为低电平且SCLK为下降沿时,DIN管脚数据位被写入到移位寄存器。其写操作时序如图4所示。
2.2.2 读寄存器
通过编程实现读数据寄存器,将AD7731的转换结果读取出来。当POL脚为低电平时,在SCLK的每一次上升沿时刻,移位寄存器将数据位输出到DOUT管脚。
读操作时序如图5所示。
2.2.3 调用子程序
在转矩测量子程序中,通过调用读、写操作寄存器子程序,可实现AD7731的正常工作,完成AD转换。调用程序如下:
2.3 数据的处理
通过AD7731采样拉力传感器的模拟信号后,数据寄存器产生的数字信号还不是最终需要的结果,必须将数字信号转换成对应的力矩值。
力矩的标定是在电动执行机构的测试装置开始工作前进行,共取多组数据,分别对应电动执行机构的开向转矩和关向转矩,每组数据分别为A/D转换后的数字量和相对应的实际力矩值。通过力矩标定,可以根据在开方向和关方向时不同力矩所产生对应的A/D转换值,计算出力矩值与A/D转换值之间的斜率K。通过斜率,在AD7731每采样一次获得对应的数字信号后,可以计算出对应的力矩值。通过力矩的标定完成对数据处理的初始化。
3 精度与稳定位的保证方法
AD7731具有高分辨率、静态工作特性好、成本低等优点,在高精度测试中得到了广泛的应用。
3.1 精度的保证
要保证读到的数据是正确的,除了保证硬件接口电路无误外,需注意:
(1)编写正确的AD7731驱动程序。
(2)处理好AD7731与单片机的数据字传输顺序。因为AD7731与单片机的数据字传输顺序不一定相同,即在数据被写入AD7731的输出串行寄存器之前必须安排好数据的传输顺序;在读操作中时,来自AD7731的数据在载入单片机的累加器之前也必须安排好数据的传输顺序。
(3)在编写驱动时,为了保证整个程序的稳定运行,采用软件冗余技术进行同一命令的多次写入。
(4)当紊乱程序进入非程序区时,采用软件陷阱技术拦截紊程序,将其引向一个指定位置(专门对程序出错进行处理的程序)。
(5)采用“看门狗技术”,对AD7731的工作状态要实施定时监控,若发现超时,强迫程序返回0000H,跳出死循环。
3.2 稳定位的保证
随着A/D转换精度的提高,数据低位受干扰的可能性增大。AD7731的转换精度可达到2 4位无误码,对噪声的敏感程度要比那些低精度A/D转换大得多。影响获取稳定数据的因素很多,主要涉及Σ-△调制器、数字滤波器的频率设置、供电电路、接地、输入通道及输入信号源特性等。Σ-△调制器和数字低通滤波器组成的Σ-△ADC对稳定数据位的影响是直接的,它们的不稳定和误差将直接导致信号转换结果的巨大差异,因此可采取下列措施:
(1)在采样速度允许情况下,将数字低通滤波器的频率设置得尽可能低。
(2)基准电压要非常稳定和精确。
(3)为保证参考电压的质量,电压基准电路要与数字电路隔离。
(4)模拟和数字的供电要分开,若电路设计不可行则将AVDD与DVDD连在一起,但数字地DGND和模拟地AGND布线要避免出现有公共回路;数字地与模拟地最后要以Y形接于一点,接地点尽量靠近AD7731。
(5)模拟电路部分要加敷铜,以减少噪声干扰。
(6)传感器的供桥正负电源应各加2个电容,用来抑制电源的噪声干扰。
4 结语
电动执行机构性能检测系统采用AD7731作为模拟信号转换器,使电动执行机构检测系统能够准确、方便地测试和设置电动执行机构的转矩大小,提高测试系统的性能和效率。在3000Nm的调试台上,在双极性模拟输入条件下,将数字滤波频率设置为最低的50Hz,最后所测得的数值非常稳定,也为产品的出厂质量检测以及产品的安全性、可靠性提供了有力保障,提高了企业产品的竞争力和生产效率。AD7731在转矩测试台运行两年多来,性能稳定、数值精确。
摘要：介绍AD7731的性能特点、内部结构与工作原理,设计与ARM系列单片机的接口电路与软件,阐述其在电动执行机构转矩测试中的应用方案。
关键词：AD7731,转矩,电动执行机构,单片机
参考文献
[1]周立功.ARM与嵌入式系统基础教程[M].2004
AD7715的应用 第7篇
温度控制技术已成为工业、农业、科学研究、航空航天和人们生活等各活动中很重要的一个环节, 特别是在科学研究、航空航天、生物医药、精密仪器等领域对温度控制精度的要求极高, 有时是极其苛刻的。高精度温控仪基于PT1000、MCU、AD7793和OPA548作为核心芯片, 具有精度高、结构简单、体积小、稳定性好, 成本低廉的特点。本文介绍了AD7793芯片的特点、工作原理和在我们研制的高精度温控设备中的应用。
1 AD7793芯片的特点
AD7793的内部框图如图1所示, 具有以下特点。1) 转换精度高, 24位数据输出;2) 芯片集成度高, 它内置24位Σ-Δ调制器、缓冲器、基准电压源、恒流源、仪表放大器和片内数字滤波器;3) 3个差分模拟输入通道, 可以被配置为缓冲模式或无缓冲模式;4) 接口电路要求低, 可以直接接收来自应变器或传感器的模拟量输入。5) 分辨率高、噪声很低, 因此对于前端的抗混叠滤波器的要求也大大降低, 一个简单的RC低通滤波器就足够了;6) 该芯片具有自校准、系统校准功能, 可以消除零点误差、满量程误差及温度漂移的影响。7) 三线式SPI接口, 通过MCU灵活控制和配置AD7793片内寄存器, 实现对AD7793芯片的控制。
2 AD7793芯片的工作原理
AD7793采用Σ-Δ调制技术, 与双积分式的ADC比较, 有很高的分辨率和精度。在工作时, AD7793以一定的速率对模拟输入信号连续采样, 采样速率受系统时钟的控制。采样信号经BUF、PGA放大, 使其输出电平满足电荷平衡ADC的要求, 然后转换成数字脉冲序列, 该序列经数字滤波器处理后, 以确定的速率更新数据寄存器中的数据。数字滤波器的主要作用是抑制串模干扰, 不同的更新速率下, AD7793所选择的数字滤波器也略有不同。数据寄存器中的数据可以从SPI接口随机读出。
3 AD7793芯片的应用
AD7793的接口电路如图2所示。根据系统的测量精度和控制精度要求, 选择了RTD传感器PT1000作为测温传感器。PT1000具有良好的长期稳定性、线性度好、响应时间快, 测试电流在允许值范围内, 自热系数小, 满足系统的技术要求。PT1000传感器对温度的变化输出一般是微伏级的微弱信号, 但AD7793具有完整的模拟前端功能, 内部集成了低噪声仪表放大器, 且可以设置增益, 因而可以直接输入测量传感器输出的微弱信号, 输入信号通过低通滤波后进入AD7793的A/D输入端。
RTD传感器PT1000电阻接线主要有三种方式:二线制、三线制和四线制。它们的主要区别在于, 由于引线电阻的存在, 则不同的测温方式得到的测量精度不同, 应视使用场合的要求高低而定。二线制精度较低, 无法消除线路电阻的影响, 环境温度的变化对其影响很大, 近距离可以使用;三线制是工业应用中的主流, 多一根线主要消除导线电阻的影响, 采用惠斯顿平衡电桥, 适合远距离传输。四线制应用较少, 但精度高, 能补偿由导线引起的误差, 在高精度测量中广泛应用。在本设备中采用四线制测温的方式, 可以完全消除引线电阻所引起的误差, 满足高精度测量的要求。
对于AD7793的Σ-ΔADC来讲, 参考源的选择必须满足低噪声、温漂小的要求。虽然已经内置了电压参考源, 无需外接参考源, 但为了满足高精度测量的要求, 使用了高精度标准参考电阻 (0.2ppm) , 采用比例测量法, 应用这种方法, 激励源中的噪声会被抵消掉。
4 AD7793芯片在使用中应注意的问题
4.1 PCB布局
Σ-Δ型ADC具有非常高的分辨率以及极低的噪声, 因此PCB的布局布线对于实现ADC的高性能有非常大的影响。在PCB的布线中需要注意以下方面:
(1) 电源:如果可能, 尽量使用单独的模拟电源和单独的数字电源。而且模拟部分的电源要使用线性电源。如果使用单电源给AVDD和DVDD供电, AVDD和DVDD之间应用磁珠进行隔离。在所有的AVDD的管脚要用0.1μF和10μF进行去耦到模拟地上, 所有数字电源管脚要用0.1μF进行去耦, 接到数字地上。电源线在PCB上要走尽量宽的线。
(2) 地:系统要分为模拟地和数字地两部分, 模拟地和数字地都要是大面积的地平面。ADC芯片本身模拟管脚与数字管脚都物理上分隔开了, 因此ADC可以跨在模拟地平面和数字地平面的中间, ADC的AGND管脚要接到系统模拟地, ADC的DGND管脚要接到系统数字地。模拟地和数字地最终在ADC的附近进行一点相接, 这样更能有效降低接地阻抗和噪声系数。
(3) 信号:模拟输入信号线线条要宽、采用最短路径靠近AD7793模拟输入端口。信号的模拟部分和数字部分要分开, 模拟信号线和数字信号线也要分开, 模拟信号线和数字信号线不要穿插, 在芯片下面避免走数字信号。
4.2 软件配置
MCU通过SPI接口对AD7793进行初始化配置, 顺序如下:
(1) 复位:由于上电期间的任何毛刺电压可能会破坏寄存器, 因此建议在初始化程序中执行复位, 即将32个1写入AD7793进行复位。复位后, SPI串行接口、片内寄存器都进入到默认状况, 便可针对应用配置器件。
(2) 配置:复位后即可对片内寄存器进行配置。首先写模式寄存器, 设置工作模式、输出数据速率和时钟源;然后写配置寄存器, 设置极性、增益、基准源、缓冲和通道;最后写IO寄存器, 设置电流源和大小。
(3) 校准:配置后, 便可以启动校准程序, 进行内部校准和系统校准。在校准时, 对失调寄存器和满量程寄存器写操作时, AD7793必须处于空闲或省电模式。
5 温控实测结果
当设置的温度发生变化时, 温控仪能通过AD7793根据得到当前实时温度, 计算出误差信号, 利用PID (比例-积分-微分) 计算出合适的控制量, 通过PWM技术控制功率放大器, 对系统进行控制, 获得满意的预期温控目标。在我们研制的高精度温控设备中, 温度设置值与温度实际对比结果如表1所示, 温控范围要求在40~55℃之间。
6 结束语
在我们的研究过程中, 得到如下经验:通过内部校准和系统校准可消除零点误差、满量程误差及温度漂移的影响;四线制恒流源驱动Pt1000铂电阻, 有效克服了导线电阻和自热效应对测量精度的影响;采用PID、PWM技术大大提高了温控精度和稳定度, 使得整机的温控误差优于0.1℃。
参考文献
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AD7715的应用 第8篇
AD590利用硅晶体管的基本特性, 用来实现温度比例特性:如果两个理想的晶体管工作在集电极电流密度的固定比例为r时, 那样基极-发射极电压将是 (k T/q) (In r) 。而两个K为波尔兹曼常数, q (电子电量) 是常数, 合成电压直接正比于绝对温度 (PTAT) 。
在AD590中, 这个PTAT电压被一个低温度系数薄膜电阻转变成PTAT电流。设备的总电流被变成这个PTAT电流的倍数。图1是AD590的原理图。在这幅图中, Q8和Q11晶体管产生PTAT电压。R5和R6将电压转变为电流。Q10的集电极电流跟踪Q9和Q11的集电极电流, 为电路的其它部分提供偏置和衬底的漏电流, 使得总电流转变成PTAT。晶片上的R5和R6经过激光调值, 用于设备在25℃的校准。
二、AD590的测试方法
对于AD590来说, 校准误差是影响最大总误差的一个重要因素。但是, 因为它只是个误差比例因子, 也就很容易调节。图2给出了达到此目的的最简单的方法。为了调节此电路, AD590的温度被前置温度传感器测量, R用于调节使得在那个温度下VT=1m V/K。注意, 当误差在一个温度下被调节出来后, 在整个温度范围内它的结果都是零。在大多数应用中都有个电流-到-电压转换电阻 (或者, 带输入电流ADC, 相关的) , 这个电阻可用于比例因子的调节。
三、AD590在温度测量电路中的应用
温度传感器AD590具有线性度好、抗干扰能力强、灵敏度高等特点, 其线性电流输出为1μA/K, 即AD590的电流输出和绝对温度成正比。在实际应用中需将其所测环境绝对温度转化成与摄氏温度值成正比的电压值, 电路设计并不复杂, 但其中细节设计影响整个电路的精度。
具体工作原理如图3所示温度传感器选用的是AD590MH级的芯片, 其在-55~150℃范围内的非线性误差在±0.3。供电采用+15V输入到1脚, 2脚输出接到运放OP07的反向输入端。为了AD590微安级的小信号输出的干扰, 采用了高精度电压基准AD688提供精确的+10V电压, 通过调整电阻Rt的大小来控制AD590的输出电流值。Rf为运放的反馈电阻, 用来调整OP07的放大倍数, 从而控制运放的输出电压值的大小。
四、结束语
在产品应用方面与传统的电子温度传感器一样AD590能被用于低于150℃的任何温度。不带支持电路, 集成电路的低消耗, 以及不带输入电路, 使这个AD590在很多温度测试条件下成为一个吸引人的选择。在使用时AD590不需要线性电路, 精确的电压放大器, 电阻测试电路, 以及冷接触补偿, 因此能够广泛的应用于科研和工业领域中。
参考文献
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AD7715的应用 第9篇
CCD图像传感器是20世纪70年代出现的新型半导体光电转换器件,经历了30多年的发展直到今日,它的技术已经成熟。近几十年来,CCD在图像传感、信号处理、数字存储等领域取得了重大发展。CCD具有灵敏度高、分辨率高、噪声小、动态范围大等优势,具有非常广阔的应用前景。随着CCD性能的不断提高,对其信号处理芯片也提出了更高的要求。CCD视频信号处理的设计重点在于信号处理器对CCD输出的视频信号进行放大、相关双采样、A/D变换等处理,形成数字化的图像数据,以进行后续的图像处理。该部分的设计要求分析CCD输出数字视频信号的特点,从而选择满足高速率要求的专用CCD视频信号处理芯片。在此选用了CCD视频信号处理芯片AD9822设计了CCD视频信号处理电路。在分析了该芯片的电路结构和工作原理后,基于现场可编程门器件(FPGA)技术完成了该芯片的初始化设置和寄存器配置,并结合Xilinx公司的FPGA芯片XC3S50完成了硬件电路的设计。
1 CCD视频信号的特点及其处理方法
CCD输出信号必须进行视频处理才能为后续电路使用。一方面,是为了尽可能地消除各种噪声和干扰同时又不损失图像细节,并且保证在CCD的动态范围内图像信号随目标亮度成线性变化;另一方面,要对CCD输出信号进行数字化处理,以便于计算机处理。这里介绍一下CCD输出信号的特点。CCD器件输出的信号比较特殊,其输出信号波形如图1所示。从图1中可以看出,这些信号就其幅值来讲是模拟信号,其幅值可以反映出每个像素单元受光后感生电荷的多少,是模拟量,同时在信号输出和感测过程中的非线性以及信号转移过程中的电荷损失,都说明了CCD器件输出信号具有模拟信号的特点。但是,在时间关系上,这些信号又受精确、稳定的时钟控制,并在时钟脉冲的作用下移位输出,类似于数字移位寄存器。根据检测结果可知,每个像素中光生电荷的有无才是重要的,而非电荷量的多少。综合两方面的情况,说明CCD信号具有模拟性和数字性,为数字视频信号[1]。因此,对这种信号的处理也有别于普通的模拟信号。传统的CCD相机视频处理的组成由各自独立的器件完成,其电路复杂、调试困难、价格昂贵。专用视频信号处理器将相关双采样、可编程增益控制、暗电平补偿、ADC模数转换等功能集成在一片芯片上,集成度高,功能强大,性能优越,价格便宜,满足CCD相机朝着轻量化、小型化方向发展的需求,是本文设计CCD成像系统视频处理电路的首选器件。
2 AD9822的结构及其工作原理
2.1 AD9822简介
AD9822是美国ADI公司的一款面向CCD的完善的低功耗单通道模拟信号处理器,内含最高15 MSPS的相关双采样(CDS)电路、可编程增益放大器(PGA)、14位精度的最高采样率为15 MSPS的A/D转换器,可以对面阵CCD信号和模拟视频信号进行A/D转换。AD9822以其高精度、高速度的模数转换能力,广泛应用在工业控制、医疗仪器、科学研究等领域的高精度图像采集系统中。
图2为AD9822的内部结构,它提供三通道的信号输入,每个通道由输入箝位、相关双采样、DAC补偿以及可编程增益放大器PGA和高精度A/D转换器构成。CCD输出信号先后在相关双采样处理单元、增益控制处理单元以及A/D转换处理单元作用下,转换成数字信号输出。
2.2 AD9822的工作原理
本设计采用的是单路CDS模式,CCD视频信号在进入AD9822之前,首先要进行交流耦合。由于CCD的输出信号包含了一个较大的直流成分,这个直流量会超出后接信号处理芯片允许的输入信号电压范围,因此,需要从信号中去除这个大的直流分量。在实际电路中,将CCD的输出信号经过一个0.1μF的耦合电容连接到AD9822的CCD信号输入引脚。在本设计中,由于CCD输出信号的幅值为1.9 V,而AD9822允许的输入信号幅值为2 V,所以,经过交流耦合后,CCD输出信号可直接进入AD9822。之后,视频信号首先经过的是输入箝位电路,箝位电路用来消除信号链中的残留偏压,并且跟踪CCD暗像素的频率成份,错误的信号将被过滤掉,所以噪声降低,去掉偏压还可减小对增益改变的影响。
经过箝位后的信号进入相关双采样电路。电路对每个CCD像素信号进行两次采样,以提取视频信息和抑制低频噪声。由于CCD每个像素的输出信号中既包含有光敏信号,也包含有复位脉冲电压信号,若在光电信号的积分开始时和积分结束时,分别对输出信号采样,并且使得两次采样的间隔时间远小于时间常数Ron C(Ron为复位管的导通电阻),则这样2次采样的噪声电压相差无几,而这两次采样的时间又是相关的。若将两次采样值相减,就基本消除了复位噪声的干扰,得到信号电平的实际有效幅值[2,3,4,5,6]。如图1所示,CDSCLK1和CDSCLK2分别用来对参考电平和数据电平进行采样,ADCCLK为ADC的采样时钟。它们和CCD视频信号的位置关系决定了信号质量的好坏。CDSCLK1,CDSCLK2和ADCCLK均由FPGA实现。
经过相关双采样后,信号被送入增益放大器PGA。这里先经过一个DAC补偿的反馈网络,以便更稳定地调节图像信号。DAC offset可以提供一350～+350 mV的信号补偿,步进阶数为512,即9 b的分辨率。具体数值通过补偿寄存器进行配置。增益放大器PGA的增益范围为1～5.7 dB,步进阶数为64阶,分辨率为6 b,通过PGA增益寄存器进行配置。PGA的增益值和PGA Gain寄存器中的值之间的关系如下:
式中:G为增益寄存器中的十进制的值,变化范围为0～63。
合理地设置增益放大器,可将信号调节至ADC允许的最大量程,有利于提高ADC的动态范围,从而提高图像质量[7,8]。
经过以上信号预处理后,信号进入A/D转换器,AD9822使用的是高性能14 b模数转换器,高速低耗。差分非线性性能在0.7LsB左右。由CCD视频信号的数据输出速率可知,AD采样率为10 MHz。因为AD9822只有8个数据输出引脚,因此采用分时输出高8位和低6位的方法来实现14位数据的输出[9]。采样时钟ADCCLK和输出数据关系如图2所示。输出数据送入低压差分线驱动器DS90C031后转换为差分信号,而后送到下一级处理器进行处理。
2.3 AD9822内部寄存器的配置
由上面的介绍可知,AD9822的各种功能模式由其内部寄存器控制,通过三线串行接口SLOAD,SDA-TA,SCK对内部寄存器写数据就可实现对其功能模式的配置。AD9822共有8个8 b的内部寄存器,各寄存器的每一位控制不同的内容。其中,配置寄存器控制芯片的工作模式和偏置电压。MUX寄存器控制采样通道的顺序。PGA寄存器和补偿寄存器各有3个,分别对红、绿、蓝3个通道做增益控制和信号补偿[10]。设计中,由FPGA提供三线串行接口的时序及数据。
3 AD9822初始化及工作时序的实现
3.1 现场可编程门阵列(FPGA)
随着电子技术的不断发展,电子系统的设计方法也发生了很大的变化,基于EDA技术的芯片设计已经代替了传统的设计方法成为电子系统设计的主流。现场可编程门阵列(FPGA)是应用极为广泛的一类可编程专用集成电路(ASIC),工程师可以利用它在实验室里设计出所需的专用集成电路,从而缩短产品的开发周期,降低开发成本。此外,FPGA还具有可重复编程和在系统重构的特性,使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改,这样就极大地提高了电子系统设计的灵活性和通用性。本文选用Xilinx公司的FPGA芯片XC3S50器件,结合ISE10.1开发工具,可以实现电路设计、仿真、器件编程等全部功能,开发调试灵活。
3.2 AD9822初始化设置和工作时序的实现
要使AD9822正常工作,需要为其提供初始化设置和驱动时序,初始化设置用于设定该芯片的工作状态,驱动时序为A/D转换提供正确的采样时钟。选用硬件编程语言VHDL设计AD9822的初始化设置和驱动时序。VHDL采用自顶向下的设计方式,具有很强的系统硬件描述能力和系统仿真能力。
AD9822的初始化设置通过三线串行接口来实现,图3为向内部寄存器写数据的时序。图中,SLOAD是移位寄存器使能端,SDATA向移位寄存器写数据,SCLK为写数据的时钟,在设计中,频率选为10 MHz。SDATA数据长度为2个字节,有效数据为12位。其中3位寄存器地址选通位,9位寄存器数据位。在2个字节的移位操作完毕之后,移位寄存器中的数据在SLOAD上升沿被送入并行锁存寄存器中,即在SLOAD上升沿进行系统配置更新。频率选为10 MHz。
AD9822的工作时序由CDS驱动时钟和A/D转换时钟2部分组成。CDS驱动时钟信号为CDSCLK1和CDSCLK2,二者均在下降沿处采集信号。CDSCLK1为第一次采样触发信号,CDSCLK2为第二次采样触发信号。在ADCCLK下降沿处采样经过CDS处理后的电平信号。图4为在ise10.1中的仿真波形,其中,R为对应CCD输出视频信号的时钟,它和CCD输出信号的时序关系如图5所示。由仿真结果可以看出,设计能够满足对CCD视频信号进行相关双采样的要求。
4 结语
在此结合CCD成像器的特点详细介绍了AD9822的性能特性以及其配置方法,作为高性能的CCD信号处理器,AD9822的内部结构完善,可编程参数配置灵活方便,其集成了CDS、PGA、ADC等电路,为系统设计带来了方便。实验证明,AD9822能较好地完成对高速面阵CCD信号的采集和转换,满足CCD视频处理的要求。
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