在智能儀器儀表的數(shù)據(jù)采集中，由于傳統(tǒng)的傳感器信號是模擬信號，所以對于智能化的儀器，肯定需要A/D轉(zhuǎn)換器將多種輸入信號進行轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)單片機的控制。在許多應(yīng)用場合需要16位以上的高精度測量，而傳統(tǒng)的積分型和逐次比較型A/D實現(xiàn)起來難度較大，成本很高。因此本電路采用了16位的∑-?型AD7705作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)了電壓、電阻、電流等不同量程信號輸入，進而進行數(shù)據(jù)的存儲和顯示。

1.AD7705介紹

AD7705是一種片內(nèi)帶數(shù)字濾波的∑-?型A/D轉(zhuǎn)換器，是為滿足寬動態(tài)范圍測量、工業(yè)控制或工藝控制中的低頻信號的輪換而設(shè)計的。該器件可以接受直接來自傳感器的低電平輸人信號，然后產(chǎn)生串行的數(shù)字輸出，利用∑-?轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)了16位無丟失代碼性能。AD7705串行接口可配置為三線SPI接口，增益值、信號極性以及更新速率的選擇可用串行輸人口由軟件來配置，該器件還包括自校準和系統(tǒng)校準選項，以消除器件本身或系統(tǒng)的增益和偏移誤差。AD7705的引腳排列如圖1所示，各引腳的功能說明如下：

圖1 AD7705的引腳排列圖

SCLK：串行時鐘輸入;MCLKIN：主時鐘輸入，時鐘頻率為500～5MHz;

MCLK OUT：主時鐘輸出;/CS：片選，低電平有效;

/RESET：復(fù)位。該端口為低電平時，可以將控制邏輯、接口邏輯、校準系數(shù)以及數(shù)字濾波器等復(fù)位為上電狀態(tài);

AIN2（﹢）、AIN2（﹣）：分別為差分模擬輸入通道2的正、負輸入端;

AIN1（﹢）、AIN1（﹣）：分別為差分輸入通道1的正、負輸入端;

REFIN（﹢）、REFIN（﹣）：分別為參考電壓的正、負端。為了確保元件的正常工作，REFIN（﹢）端口的輸入信號必須大于REFIN（﹣）端的輸入;

/DRDY：邏輯輸出。低電平表示可以讀取新的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;高電平時不可讀取數(shù)據(jù);

DIN，DOUT：分別為串行數(shù)據(jù)輸入和輸出端;

VDD：電源電壓，+2.7～+5.25V;GND：內(nèi)部電路的地電位基準點。

2.電路設(shè)計

在該電路設(shè)計中，必須考慮隔離技術(shù)的實施，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。并且使A/D轉(zhuǎn)換過程容易進行，這是系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.1AD7705輸入電路

基于AD7705的萬能信號輸入電路的輸入端電路圖，如圖2所示：

圖2 AD7705萬能信號輸入電路的輸入端電路圖

圖3 輸入信號接線方式圖

該電路的3個端子有多種不同的接法，可以實現(xiàn)多種輸入信號的采集和轉(zhuǎn)換。這里介紹四種輸入信號類型，分別為電壓、電流、熱電偶、熱電阻和電阻，各種輸入信號的接線方式，如圖3所示。AD7705作為數(shù)據(jù)采集電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有兩個雙差分輸入通道。由于檢測的信號有的是雙極性的，而兩通道是差分模擬輸入，只有將模擬輸入端負端的電位抬高，才能檢測雙極性信號，因此，將AIN1（﹣）和AIN2（﹣）接至基準電壓VREF上，基準電壓值為2.5V，作為輸入電路的模擬地端。用兩通道的模擬輸入正端AIN1（﹢）和AIN2（﹢）來檢測輸入信號，這兩個輸入端的電壓值分別記為UAIN1（﹢）和UAIN2（﹢），兩檢測電壓最終轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出，因此，通過這兩個已知的檢測電壓可以得到輸入信號的值。為了提高該萬能信號輸入電路的精度，AD7705的輸入電路部分的所有電阻均為標(biāo)準電阻。

量程校準：外加輸入信號的下限值，采用上位機軟件，按畫面指示（自動，手動）可進行零點校準;外加輸入信號的上限值，按畫面指示（自動，手動）可進行滿度校準，結(jié)果存儲在24C64中。

當(dāng)輸入信號為電壓時，電壓正端接儀表通道A端子，電壓負端接儀表通道B端子，電壓為0～5V，1～5V，0～2.5V，0～1V，0～100mV，0～55mV，0～25mV，統(tǒng)記為UAB由電路圖可知該電壓信號經(jīng)過兩個20KΩ的電阻分壓后輸入到通道2，因此由通道2，AIN2（﹢）來檢測該電壓信號，UAB與UAIN2（﹢）的關(guān)系式如下：

當(dāng)輸入信號為電流時，電流正端接儀表通道A端子，電流負端接儀表通道C端子，電流值可以為4-20mA，0-10mA，統(tǒng)記為IAC，AC端子之間并聯(lián)250Ω的標(biāo)準電阻，使線性電流轉(zhuǎn)換為線性電壓，由于基準電壓的存在，即使輸入電流為0時，經(jīng)過250Ω和3.6KΩ電阻對基準電壓的分壓，通道1AIN1（﹢）仍有檢測電壓的存在，AIN1（﹢）的檢測電壓值要減去輸入電流為0時的檢測電壓值，檢測電壓值同樣是經(jīng)過兩個20KΩ的電阻分壓后得到的。而輸入電流分為250Ω和3.6KΩ電阻兩個回路，即這兩個電阻在電流的回路上是并聯(lián)的。具體的計算關(guān)系如下：

熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器，它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。熱電阻測溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而變化這一特性來進行溫度測量的，當(dāng)輸入信號為溫度時，通過熱電阻來檢測溫度，實際上輸入信號就變成了熱電阻，求得熱電阻的阻值，通過熱電阻的阻值與溫度的對照關(guān)系就求出了溫度值。

由于熱電阻要安裝在被測環(huán)境中，距離電阻測量裝置有一定距離，這樣實際測量的時候就會帶來導(dǎo)線電阻的誤差，因此實際使用熱電阻的時候都是采用三線制接法，通過電路處理，剔除了導(dǎo)線電阻的影響。

熱電阻一端接儀表通道A端子，另外兩端接儀表通道B、C端子，電阻值可以為Cu50，Pt100，統(tǒng)記為RT。為了推導(dǎo)公式和解釋方便，需要對一些變量進行設(shè)定。三根導(dǎo)線的電阻值設(shè)為RL，從基準電壓源出來的總電流為I，通過熱電阻這一支路的電流為I1，通過250Ω電阻的電流為I2，兩支路的電流最終都通過3.6KΩ電阻，即3.6KΩ電阻的電流也是I，下面開始對熱電阻RT進行逐步推到：

由上面三個式子可以得到I1，計算整理后得：

在熱電阻這條支路上，由熱電阻、導(dǎo)線電阻和電流可以得到通道1檢測電壓UAC和通道2檢測UAB，即UAIN1（﹢）和UAIN2（﹢）的關(guān)系式：

由公式（6）、（7）和（8）得熱電阻RT的計算公式如下：

輸入信號為電阻的情況和熱電阻的推導(dǎo)公式相同。

當(dāng)輸入信號為熱電偶時，熱電偶正端接儀表通道A端子，負端接儀表通道B端子。按IEC國際標(biāo)準，采用S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準化熱電偶作為輸入信號。在AD7705的兩通道對熱電偶進行檢測時，實際上是對熱電偶的電動勢進行檢測，因此，熱電偶與電壓作為輸人信號的情況相同，只是最終將測得的電壓值轉(zhuǎn)換為溫度值，有關(guān)冷端溫度補償問題由室溫測量元件測出冷端溫度與輸入電壓進行相加。

2.2AD7705輸出電路

基于AD7705的萬能信號輸入電路的輸出端電路圖，如圖4所示;為了確保儀表的穩(wěn)定，在本電路中采用了必要的隔離措施，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，輸入信號模塊與其它模塊之間信號采用TLP115P光電耦合器進行隔離，電源采用IB0505LD-W75型DC/DC轉(zhuǎn)換器進行隔離，并通過DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生+5V的逆變電壓作為AD7705的工作電壓。

圖4 AD7705萬能輸入電路的輸出端電路圖

該萬能信號輸入模塊中的24C64芯片，是64K的電可擦除可編程存儲器E2PROM。該存儲器是用來存儲AD7705的信息的，在初始設(shè)定時將AD7705的信息寫入24C64芯片中，這樣AD7705的設(shè)置信息將永遠保存在該存儲器中，以后不用重復(fù)設(shè)定.24C64芯片和AD7705放在一個模塊上，可以即插即用，使用方便。

設(shè)計的這個基于AD7705的萬能信號輸入電路的輸出端采用SPI串行通信協(xié)議，SPI就是串行外圍設(shè)備接口，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便。SPI總線系統(tǒng)以主從方式工作，在本電路中SPI總線包括DIN（串行數(shù)據(jù)輸入）、DOUT（串行數(shù)據(jù)輸出）、SCLK（串行時鐘輸入）和/CS（片選）。

/CS是控制芯片是否被選中的，也就是說只有片選信號為低電平時，對AD7705的操作才有效。因此將片選管腳直接接地，也就是讓AD7705始終處于工作狀態(tài)，這時SPI總線實際上就只剩下DIN、DOUT和負責(zé)通信的三根線了，通信是通過數(shù)據(jù)交換完成的，這里先要知道SPI是串行通信協(xié)議，也就是說數(shù)據(jù)是一位一位的傳輸?shù)模@就是時鐘線SCLK存在的原因，由SCLK提供時鐘脈沖，DIN，DOUT則基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)輸出通過DIN線，數(shù)據(jù)在時鐘上升沿或下降沿時改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取。完成一位數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)輸入也使用同樣原理。這樣，在至少8次時鐘信號的改變（上沿和下沿為一次），就可以完成8位數(shù)據(jù)的傳輸。

要注意的是SCLK信號線只由主設(shè)備控制，即由該儀表的CPU來控制，AD7705不能控制信號線。SPI允許數(shù)據(jù)一位一位的傳送，甚至允許暫停，因為SCLK時鐘線由主控設(shè)備控制，當(dāng)沒有時鐘跳變時，從設(shè)備不采集或傳送數(shù)據(jù);也就是說，主設(shè)備通過對SCLK時鐘線的控制可以完成對通信的控制。SPI還是一個數(shù)據(jù)交換協(xié)議，因為SPI的數(shù)據(jù)輸入和輸出線獨立，所以允許同時完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出;由于本電路是數(shù)據(jù)采集電路，因此只需要AD7705對數(shù)據(jù)進行采集輸出就可以。

輸出端子信號為：

H-24C64數(shù)據(jù)線和串行同步時鐘線;

G、F-24C64地址線;

+、--電源線;

E-AD7705串行時鐘線;

D-AD7705數(shù)字信號輸入、輸出線。

結(jié)束語

本文總結(jié)了采用AD7705的萬能信號輸入電路設(shè)計。該電路實測結(jié)果達到了設(shè)計標(biāo)準，具有多種信號輸入功能。本電路通道數(shù)多，功耗低，精度高，采取隔離設(shè)計，抗干擾能力強，運行穩(wěn)定，可靠性高，可作為各種智能顯示儀表的數(shù)據(jù)采集電路使用。
責(zé)任編輯人：CC