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A/D變送器在電量變送器校驗測量系統中的應用

   2011年07月12日 15:44  
  1、引言
  
  模擬信號的測量離不開A/D轉換器。它的性能直接影響到測量精度。高精度、高速的A/D轉換器是實現高精度測量的前提,但從成本和設計要求來看,選擇適合的A/D轉換器至關重要。電量變送器校驗裝置的直流測量電路選擇16位高速、高精度AD7677型A/D轉換器。該器件是美國模擬器件公司(ADI)生產的16bit逐次逼近(SAR)型A/D轉換器,是PulSAR系列SAR型A/D轉換器成員,具有基于一種提供附加零數據等待延遲特性的A/D轉換器結構,零數據等待延遲在數據采集系統中是一項關鍵性因素。
  
  目前,SAR型A/D轉換器已占據A/D轉換器市場的大半個份額,它是那些要求將模擬信號非常地轉換成數字信號的應用中zui常用、、zui有效的技術,其速度比同類產品提高50%,精度比同類產品提高3倍多,由于封裝尺寸縮小40%。AD7677是通用的A/D轉換器,適合于對速度和精度有特殊要求的場合,如數據采集、CT掃描儀、頻譜分析儀、自動測試設備(ATE)和通用測試設備。AD7677型A/D轉換器具有1MS/s轉換速率,其積分非線性誤差(INL)和微分非線性誤差(DNL)都為±lLSB,并且無失碼,它不僅能實現高速與高精度,而且功耗也低,通常在1MS/s轉換速率下,功耗小于115mW。
  
  2、AD7677特性與工作原理
  
  圖1給出AD7677的原理框圖。AD7677具有真正的16位精度,不僅能為測量系統提供較高精度,還能提供3種不同轉換速率,以適應不同應用需求。在高速模式下,該A/D轉換器的zui大采樣速率為1MS/s,它要求兩次轉換時間不能超過1ms,這樣才能保證全量程的精度:如果兩次轉換時間超過lms,則在A/D轉換器啟動后將忽略*次測量值。所以該模式一般用于需要高速測量的場合。在普通模式下,A/D轉換器的zui大采樣速度為800KS/s,它對兩次采樣之間的時間間隔沒有要求,因此該模式適合用于多路數據采集系統中。而在脈沖模式下,可以實現低功耗設計,可通過節電方式來降低采樣間隔期間的功耗,其zui大采樣速率為666KS/s。在采樣速率為100S/s下,其典型功耗為15pW,因此該模式一般用于電池供電場合。
  
  圖2給出AD7677A/D轉換器的時序圖。AD7677利用CNVST信號控制轉換,一旦開始轉換,即使PD端口出現低電平,也不能重新啟動或停止轉換。CNVST信號獨立于CS和RD信號工作。在AD7677A/D轉換器采樣時,BUSY信號為高,此時可連接單片機進行檢測;BUSY信號為低時,該A/D轉換器處于等待狀態,直到CNVST再次為低時,則開始新的轉換。
  
  AD7677支持串行通訊和并行通訊。為便于高速測量,該系統設計中,將引腳SER/PAR設置為低電平,并采用并行通訊。當RD信號使能時,若BUSY信號為低,則讀取目前的采樣值:若BUSY信號為高,則讀取上次采樣值。圖3給出并行接口的時序圖。16位數據通過引腳BYTESWAP進行控制,并按照8位數據傳輸。當BYTESWAP位為低時,低8位數據由D[7:0]輸出,而高8位數據則由D[15:8]輸出;當BYTESWAP位為高時,低8位數據由D[15:8]輸出,而高8位數據則由D[7:0]輸出。將引腳BYTESWAP連接到地址線上,控制其電平高低,即可通過8位數據線讀取16位數據。
  
  3、AD7677在系統中的應用
  
  利用一片AD7677、一個驅動器和一個光電耦合器即可構成一個16位、zui高采樣頻率可達1MHz,每組zui大采樣數為32kHz的數據采集系統。影響采集系統性能的參數很多,歸納起來主要有以下4個方面:
  
  (1)基準電壓當采樣轉換時,AD7677以基準電壓作為參考電壓,所以基準電壓的穩定性決定了測量的穩定性。這里選擇低噪聲、低溫漂、超高精度的電壓基準器件ADR421來提供基準電壓,其輸入電壓為12V,輸出電壓為2.5V。圖4給出基準電壓參考電路。
  
 ?。?)采樣控制脈沖由外部提供采樣脈沖,其zui高頻率應小于1MHz,,這*據要求,采用8MHz有源晶體振蕩器,經32倍分頻后提供采樣脈沖,其采樣頻率zui終選擇250kHz。
  
 ?。?)模擬輸入信號由低噪聲、低漂移、高性能運算放大器實現緩沖、放大及阻抗變換,并進行適當的濾波,按輸入信號的大小自動切換放大量程。
  
 ?。?)單端輸入變雙端輸入信號采集系統一般都采用單端信號輸入。為了提高共模抑制比,常常需要將單端信號變成雙端差分輸入。圖5給出單端輸入變雙端輸入電路。
  
  在采集系統中已根據試驗設置A/D轉換模式.單片機只需控制何時采樣及實時處理采樣數據即可。單片機等待采樣命令,當接到命令后,打開A/D轉換器的中斷,片選A/D轉換器開始采集數據,通過設置軟件計數器中的數值控制采集點數,這樣既容易改變測量模塊的參數,也容易使系統升級。將每次采集數據保存到片外RAM進行數據處理。
  
  4、結語
  
  在裝置中,配合使用AD7677與量程切換電路,實現了直流電壓在O~10V、直流電流在4~40mA范圍內的自動測量。在測量直流電壓或電流時,由于測量量程的范圍不同。而且不同的量程系差也不一致,所以補償系數也有區別.需要在編制程序時分別考慮。測量電流與測量電壓的子程序流程基本相同,只是在計算真實值時,公式稍有區別。在設計數據處理計算中,采用平均值數字濾波方法,使得該裝置的測量精度達到0.01%以上,線性度達到0.005%。由此可見,AD7677型A/D轉換器不僅能夠滿足設計要求.而且可得到進一步推廣應用。

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