A/D变送器在电量变送器校验测量系统中的应用

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1、引言
　　
　　模拟信号的测量离不开A／D转换器。它的性能直接影响到测量精度。高精度、高速的A／D转换器是实现高精度测量的前提，但从成本和设计要求来看，选择适合的A/D转换器至关重要。电量变送器校验装置的直流测量电路选择16位高速、高精度AD7677型A／D转换器。该器件是美国模拟器件公司(ADI)生产的16bit逐次逼近(SAR)型A／D转换器，是PulSAR系列SAR型A／D转换器成员，具有基于一种提供附加零数据等待延迟特性的A／D转换器结构，零数据等待延迟在数据采集系统中是一项关键性因素。
　　
　　目前，SAR型A／D转换器已占据A／D转换器市场的大半个份额，它是那些要求将模拟信号非常精确地转换成数字信号的应用中最常用、最经济、最有效的技术，其速度比同类产品提高50％，精度比同类产品提高3倍多，由于封装尺寸缩小40％。AD7677是通用的A／D转换器，适合于对速度和精度有特殊要求的场合，如高端数据采集、CT扫描仪、频谱分析仪、自动测试设备(ATE)和通用测试设备。AD7677型A／D转换器具有1MS／s转换速率，其积分非线性误差(INL)和微分非线性误差(DNL)都为±lLSB，并且无失码，它不仅能实现高速与高精度，而且功耗也低，通常在1MS／s转换速率下，功耗小于115mW。
　　
　　2、AD7677特性与工作原理
　　
　　图1给出AD7677的原理框图。AD7677具有真正的16位精度，不仅能为测量系统提供较高精度，还能提供3种不同转换速率，以适应不同应用需求。在高速模式下，该A／D转换器的最大采样速率为1MS／s，它要求两次转换时间不能超过1ms，这样才能保证全量程的精度：如果两次转换时间超过lms，则在A／D转换器启动后将忽略第一次测量值。所以该模式一般用于需要高速测量的场合。在普通模式下，A/D转换器的最大采样速度为800KS／s，它对两次采样之间的时间间隔没有要求，因此该模式适合用于多路数据采集系统中。而在脉冲模式下，可以实现低功耗设计，可通过节电方式来降低采样间隔期间的功耗，其最大采样速率为666KS／s。在采样速率为100S／s下，其典型功耗为15pW，因此该模式一般用于电池供电场合。
　　
　　图2给出AD7677A／D转换器的时序图。AD7677利用CNVST信号控制转换，一旦开始转换，即使PD端口出现低电平，也不能重新启动或停止转换。CNVST信号独立于CS和RD信号工作。在AD7677A／D转换器采样时，BUSY信号为高，此时可连接单片机进行检测；BUSY信号为低时，该A／D转换器处于等待状态，直到CNVST再次为低时，则开始新的转换。
　　
　　AD7677支持串行通讯和并行通讯。为便于高速测量，该系统设计中，将引脚SER／PAR设置为低电平，并采用并行通讯。当RD信号使能时，若BUSY信号为低，则读取目前的采样值：若BUSY信号为高，则读取上次采样值。图3给出并行接口的时序图。16位数据通过引脚BYTESWAP进行控制，并按照8位数据传输。当BYTESWAP位为低时，低8位数据由D[7：0]输出，而高8位数据则由D[15：8]输出；当BYTESWAP位为高时，低8位数据由D[15：8]输出，而高8位数据则由D[7：0]输出。将引脚BYTESWAP连接到地址线上，控制其电平高低，即可通过8位数据线读取16位数据。
　　
　　3、AD7677在系统中的应用
　　
　　利用一片AD7677、一个驱动器和一个光电耦合器即可构成一个16位、最高采样频率可达1MHz，每组最大采样数为32kHz的数据采集系统。影响采集系统性能的参数很多，归纳起来主要有以下4个方面：
　　
　　(1)基准电压当采样转换时，AD7677以基准电压作为参考电压，所以基准电压的稳定性决定了测量的稳定性。这里选择低噪声、低温漂、超高精度的电压基准器件ADR421来提供基准电压，其输入电压为12V，输出电压为2．5V。图4给出基准电压参考电路。
　　
　　(2)采样控制脉冲由外部提供采样脉冲，其最高频率应小于1MHz,，这里根据要求，采用8MHz有源晶体振荡器，经32倍分频后提供采样脉冲，其采样频率最终选择250kHz。
　　
　　(3)模拟输入信号由低噪声、低漂移、高性能运算放大器实现缓冲、放大及阻抗变换，并进行适当的滤波，按输入信号的大小自动切换放大量程。
　　
　　(4)单端输入变双端输入信号采集系统一般都采用单端信号输入。为了提高共模抑制比，常常需要将单端信号变成双端差分输入。图5给出单端输入变双端输入电路。
　　
　　在采集系统中已根据试验设置A／D转换模式．单片机只需控制何时采样及实时处理采样数据即可。单片机等待采样命令，当接到命令后，打开A／D转换器的中断，片选A／D转换器开始采集数据，通过设置软件计数器中的数值控制采集点数，这样既容易改变测量模块的参数，也容易使系统升级。将每次采集数据保存到片外RAM进行数据处理。
　　
　　4、结语
　　
　　在装置中，配合使用AD7677与量程切换电路，实现了直流电压在O~10V、直流电流在4~40mA范围内的自动测量。在测量直流电压或电流时，由于测量量程的范围不同。而且不同的量程系差也不一致，所以补偿系数也有区别．需要在编制程序时分别考虑。测量电流与测量电压的子程序流程基本相同，只是在计算真实值时，公式稍有区别。在设计数据处理计算中，采用平均值数字滤波方法，使得该装置的测量精度达到0．01％以上，线性度达到0．005％。由此可见，AD7677型A／D转换器不仅能够满足设计要求．而且可得到进一步推广应用。