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电压信号测量AD7794在高精度低功耗测量装置中的应用

1 引言

  现代电子测量中,对测量精度有着越来越高的要求,同时,由于野外电池供电的原因,对整体电路的功耗也有着高要求。比如,在差压式流量测量/计量中,压力传感器给出的信号十分微弱,这对直流放大器和ADC电路提出了很高的要求。传统的精密数据转换和系统稳定性方案不能兼备低噪声、低漂移和低功耗特性,往往不得不牺牲某些性能。AD7794针对工业测量领域的这种特殊而义普遍的需求,采用了一种结合斩波放大电路(抑制漂移)、乏一AADC(提高精度和抑制噪声)和低功耗的复合结构,形成具有兼备上述优秀性能的较为理想了专用器件。同时器件体积极小,便于在各种设备中使用。

  本文根据作者在内锥式智能工业燃气表的实际设计工作中的经验,总结出高精度A/D转换芯片AD7794的特点,并描述其使用方法。

  2 AD7794的功能及技术特性

  AD7794提供了仪器仪表应用所要求的几乎全部功能,因而减少了设计工作量并节省了许多外围器件。AD7794具有功耗低和完全模拟输入端子,可用在低频信号的测量中。它克服了同类产品中噪声与功耗的局限性,能够同时提供低噪声和低功耗特性。该系列ADC采用2.7v~5.25 v单电源供电,其全功耗消耗电流仅400 μA,同时噪声只有40 nVrms,从而使其适合要求低功耗和高精度测量的应用。它集成了六个差分传感通道的24位ADC,使其非常适合要求较多通道的应用。这六个差分通道可两两组合成差分信号和差分参考输入,能有效克服共模干扰。片上还有低噪声、低温漂的增益级仪用放大器电路,增益可以根据需要进行设置。另外,片上还集成了增益可调的激励电流源和用于温度测量的偏置电压发生器。该芯片可以使用内部时钟,如果同步运行多个芯片时还可以使用外部时钟。采样率也是输出数据的速率可以通过编程在4Hz到500Hz之间调节,在某些速率下如16.6 I-h条件下能够提供同时抑制50 Hz和60Hz干扰信号的功能。

  图1给出了AD7794的简化结构,它属于∑-△调制的模数转换器,适用于窄带与高分辨率的场合。AD7794的∑-△调制器将随采样的输入信号转换为数字脉冲串,其“1”的密度包括数字量信息。通过数字滤波和抽取后,输出高分辨率低速率数据。∑-△调制器还具有降噪的作用,因为高的采样率将噪声基底压低,而滤波后大多数(高端频谱部分)噪声被滤除。调制器的阶数越高,在有用带宽内对噪声抑制的作用就越明显。但是,较高阶调制器容易不稳定。因此,必须在调节器阶数与稳定性之间进行权衡。在窄带∑-△模数转换器中,通常使用二阶或三阶调节器,这样器件就会具有良好的稳定性。

图1 AD7794内部简化结构模块图

  AD7794的低噪声仪表放大器可以工作在斩波模式,斩波器是AD7794的一个内嵌部件,可以用于消除飘移造成的误差。斩波器的工作原理就是在模数转换器的输入部件多路复用器的输出处交替地倒相(或削波)。然后,对每次斩波的正和负信号区段进行-_次模数转换。接着,用数字滤波器对这两次转换结果取平均。这样,就消除了模数转换器内出现的任何失调误差,更重要的是,将温度对失调漂移的影响降到最低。

  3 AD7794的应用电路设计

  图2给出了AD7794的应用框图。AD7794具有简化的同步串行接口,易于和微控制器MC相连。AD7794中串行接口、ADC、斩波式仪表放大器和多通道的结构形成了一种全ADC类型——仪(表专)用ADC。

图2 AD7794一个通道典型应用

  其中,MSP430F1611是一款超低功耗混合信号处理器,共有一种活动模式(AM)和五种低功耗模式(LPM0~LPM4)。在待机方式下,其耗电为0.7uA;在节电方式下,最低可达0.1uA。AD7794与MSP430F1611的连接十分灵活。下面霞点描述典型的传感器及调理电路的设计,如图3所示。其中AD7794有三套(参考电压和被测电压)六路差分输入端,该电路可任选一套接入。

图3 AD7794输入电路设计

整个电路主要由传感器电桥与信号调理电路组成,传感器以差分方式输m信号,即通过输出正和输出负两端的电压差值来表示。当被测非电鼍发生变化时,会引起传感器的电阻值发生变化,而此变化会线性的反应在R7和R9左端的电位差(电压)上,通过采集这个电位的差值信号就可以计算被测量及其变化。模拟的传感器信号通过AD7794一AIN+和AD7794_AIN一差分端口送到AD7794进行数模转换。在实际使用的过程中,有可能输入的模拟信号电J丘受到干扰而有较大范围的波动,如果直接将传感器上的信号接入到AD,则在极端情况下,如瞬态静电高压,就有可能造成对AD7794永久性的损坏。因此,电路中采用二极管D1、D2、D3和D4使输入信号被钳制在一个安全的范围之内,从而起到过压(包括正和负)保护的作用。电阻R7、R8、R9和R10作为限流电阻使用(其阻值对于信号而言几乎没有影响),进一步保护了后级电路。cl和C2能有效地滤除进入电路的射频干扰,对靠近电台的地区使用特别有效。

  AD7794的参考电压可取自内部,也可取A于外部。但是当测量外部电桥信号时,使用外部参考电压比较有效,所以在本电路中使用了外部参考。当使用AD7794在测量微小信号的时候.就会用到片内低噪声仪表放大器,这样可以有效地降低外部噪声的干扰,比如说,当内部放大器的增益为64时,所引入的噪声典型有效值只有40nV。但是当运放的增益大于等于4的时候,其共模电压不能够太低,否则会使运放的特性变坏。根据需要,当AD7794工作与斩波模式时,输入共模电压((AD7794 )+( 一))必须大于. ,这样才_AIN+ AD7794 AIN /2 0 5V能保证输入信号的动态范隔;并且,当使用内部放大器时,如果所使用的外部参考电压VREF接近模拟电源AVDD时,则实际输入的模拟信号值不能超过(Vr。lgain)的90%,否则AD在输入信号的高低两端的线性度会变差。为了很好的解决这个问题,在本电路中使用了R6和R12,这样可以使AD7794的参考电压AD7794.REF+和AD7794 REF一不至于接近模拟电源的极限电压。整个电路采用桥式输入,这样,在外接电源在小范围内有波动的时候,可以保证实际加入到放大器的差值电压和输入的参考电压不受外界的影响。

  AD7794采用偏移二进制编码,当使用单极性信号时(Ain+ - Ain > 0),其输入电压与输出数据的关系为:

  这个D直接代表了被测量。这里,G为总增益。(REF+ - REF-)为差分参考电压,(Ain+ - Ain-)为输入差压信号。

  而当使用双极性信号时(REF>Ain+ - Ain>0如或0>Ain+ - Ain>-REF,输出特性变为:

  要用外部参考电压时,由于R5、R7、R11可以忽略,因此有:

  在理想传感器中,

R为测量电桥的总电阻,也即桥臂电阻,静态时R1=R2=R3=R4=R,为测量时的每臂电阻变化量。可见,使用外部参考电压(同时做为传感器电压激励)时,ADC输出数据与传感器变化,即与被测量直接相关,与参考电压的实际值无关!这就对参考电,爱的稳定性要求大大降低了。当然,参考电瓜要符合ADC的量值要求,并且,在一次测量(转换)中仍然要求不变(短期稳定即可)。

  整个系统适用于高精度低功耗要求的场合。在这里,给整个电桥提供激励的电压也即参考电压取自MSP430F1611的DAC输出端。这样做,既可以保证所加电压的精度和稳定性,又可以在不需要测量信号的时候,可以随时关闭给电桥的供电。当MSP430微处理器进入休眠状态时,也可以使整个系统的芯片连同电路一起处于一个休眠状态,这样可以进一步降低系统功耗。

  4 AD7794的实验和实测效果

  为了模拟出实际AD7794的使用场合,将图3中的R1、R2、R3、R4全部用电阻箱代替,电阻箱的精度和分辨率为0.1欧姆。实际测试中,使用的电阻变化量为1欧姆。在测试过程中,Rl、R4作为一组,而R2、R3作为一组,两组阻值分别向不间的方向变化,即一组调大.而另一组调小,以此来模拟传感器上的压差变化,然后将实测数据绘成曲线。实验结果示于下图.其中,纵轴为实测的AD转换结果,横轴为压差变化率,即(V+-Vv)/(VRF+-VREF_)。

  由图4可以看出,整个AD7794的表现效果令人满意,整个AD转换结果与实际输入的信号成线性变化,而实测的最大线性误差小于l‰。

  5 结论

  该系统已成功地应用于低功耗燃气计量装置中,并稳定可靠地运行。与传统方案比较,本系统精度高、功耗小、抗干扰能力强,易于调试,体积小,适合于手持、野外、太阳能供电等多种应用场合。这种方法可以推广应用到低频、缓变等信号的广泛工业测量应用中。

  本文作者创新点:提出了基于AD7794的高精度超低功耗测量计量装置的设计原理和方法,并以给出了具体的硬件电路,为进一步开发其它类型的测量装置提供了一定的参考作用。

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