溫度補(bǔ)償電子秤和RTD儀器等測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員可以使用新的單芯片A/D轉(zhuǎn)換器/模擬前端更有效地執(zhí)行任務(wù)。AD7719具有Σ-Δ轉(zhuǎn)換器固有的高分辨率;為了提高吞吐量，包含兩個(gè)ADC（24位和16位分辨率），允許同時(shí)并行轉(zhuǎn)換兩個(gè)輸入變量，而沒(méi)有模擬多路復(fù)用方案固有的延遲。它采用信號(hào)斬波方法，提供具有穩(wěn)定增益和最小失調(diào)的信號(hào)調(diào)理，并結(jié)合內(nèi)置校準(zhǔn)，無(wú)需在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行校準(zhǔn)。它方便地包括一對(duì)匹配的電流源，以簡(jiǎn)化傳感器激勵(lì)并提高使用電阻傳感器時(shí)的測(cè)量精度。其他有用的特性包括可關(guān)閉的電路和可在不使用轉(zhuǎn)換器或傳感器電源時(shí)用于節(jié)省功率的低邊開(kāi)關(guān)，以及用于監(jiān)視和控制外部設(shè)備的數(shù)字I/O端口。

AD7719是一款面向低頻測(cè)量應(yīng)用的完整模擬前端，是ADI公司高分辨率、低帶寬、Σ-Δ轉(zhuǎn)換器系列的最新成員。它建立在從電子秤到便攜式儀器儀表、壓力、溫度和傳感器測(cè)量、智能變送器、液/氣相色譜和工業(yè)過(guò)程控制等應(yīng)用中采用前幾代 Σ-Δ 轉(zhuǎn)換器所獲得的經(jīng)驗(yàn)之上。上述增強(qiáng)功能（見(jiàn)圖1）解決了此類(lèi)高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)的許多問(wèn)題。

AD7719內(nèi)置兩個(gè)獨(dú)立的高分辨率Σ-Δ型ADC。每個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換均由具有可編程sinc的二階Σ-Δ調(diào)制器完成3濾波器。此外，它還提供可切換匹配的 200μA 激勵(lì)電流源、低側(cè)電源開(kāi)關(guān)、數(shù)字 I/O 端口和溫度傳感器。24 位主通道帶有一個(gè)增益為 1 至 128 的可編程增益放大器 （PGA），可接受范圍高達(dá) 1.024×REFIN1 V 的全差分、單極性和雙極性輸入信號(hào)。基準(zhǔn)輸入為差分輸入，可提供比率轉(zhuǎn)換。主模擬輸入通道可在內(nèi)部緩沖，以提供非常高的輸入阻抗;這允許直接從傳感器施加輸入信號(hào)，而無(wú)需外部信號(hào)調(diào)理。16 位輔助通道無(wú)緩沖，輸入信號(hào)范圍為 REFIN2 或 REFIN2 的一半。

該器件采用 32，768Hz （32K） 晶體工作，板載 PLL 可生成所有必需的內(nèi)部工作頻率。AD7719的輸出數(shù)據(jù)速率可通過(guò)軟件編程。這允許將數(shù)字濾波器凹槽放置在用戶(hù)定義的頻率下。例如，在 19.8 Hz 的編程更新速率下，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn) 50 和 60 Hz 的抑制凹槽。

圖1.AD7719功能框圖

峰峰值分辨率取決于編程增益和輸出數(shù)據(jù)速率。該器件采用+3 V或+5 V單電源供電。采用+3 V電源供電時(shí)，兩個(gè)ADC連續(xù)使用時(shí)功耗為4.5 mW。適當(dāng)時(shí)，可通過(guò)禁用一個(gè)或兩個(gè)ADC來(lái)降低功耗。AD7719采用節(jié)省空間的28引腳SOIC和TSSOP封裝。

信號(hào)處理鏈

ADC采用Σ-Δ轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)24位的無(wú)失碼性能。Σ-Δ調(diào)制器將采樣的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖序列，其占空比包含數(shù)字信息。一箏3然后，可編程低通濾波器抽取調(diào)制器輸出數(shù)據(jù)流，以5.35 Hz（186.77 ms周期）至105.03 Hz（9.52 ms）的可編程輸出速率提供有效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果。采用斬波方案將ADC通道失調(diào)、增益和漂移誤差降至最低。主ADC輸入通道的框圖如圖2所示。輔助ADC的信號(hào)鏈與圖2類(lèi)似，但省略了緩沖器和PGA模塊。

圖2.主ADC信號(hào)鏈。

調(diào)制器環(huán)路的采樣頻率比輸入信號(hào)的帶寬（過(guò)采樣）高很多倍。調(diào)制器中的積分器對(duì)量化噪聲（由模數(shù)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生）進(jìn)行整形，使噪聲集中在調(diào)制器頻率的一半附近。Σ-Δ調(diào)制器的輸出直接饋入數(shù)字濾波器，數(shù)字濾波器將響應(yīng)限制在明顯低于調(diào)制器頻率二分之一的頻率。通過(guò)這種方式，比較器的1位輸出被轉(zhuǎn)換為來(lái)自ADC的帶限、低噪聲輸出。濾波器的截止頻率和抽取輸出數(shù)據(jù)速率可通過(guò)加載到濾波器寄存器的正弦濾波器（SF）控制字進(jìn)行編程。

輸入斬波產(chǎn)生的交變數(shù)字輸出值在最終求和階段求和，以平均直流失調(diào)和低頻噪聲。濾波器的每個(gè)輸出字相加并與前一個(gè)濾波器輸出求平均值，以產(chǎn)生新的有效輸出結(jié)果，寫(xiě)入ADC數(shù)據(jù)寄存器。由此產(chǎn)生的極低直流失調(diào)和失調(diào)及增益漂移規(guī)格在漂移、噪聲抑制和最佳EMI抑制非常重要的應(yīng)用中非常有益。

除了降低量化噪聲外，數(shù)字濾波器在100和50 Hz（±60 Hz）時(shí)還提供1 dB的正常模式抑制，分別用于82和68的濾波器控制字設(shè)置。對(duì)于在50和60 Hz下都需要大量抑制的應(yīng)用，濾波器在默認(rèn)編程設(shè)置69（數(shù)據(jù)更新速率為19.8 Hz）時(shí)的響應(yīng)具有接近兩個(gè)頻率的陷波，在100 Hz時(shí)抑制為>60 dB，在60 Hz時(shí)抑制>50 dB，如圖3所示。

圖3.濾波器配置文件顯示同時(shí) 50 Hz 和 60 Hz 抑制零，sinc3 濾波器控制字為 69。

典型應(yīng)用

AD7719提供完整的模擬前端，用于使用溫度、壓力和其他傳感器實(shí)現(xiàn)低頻測(cè)量。例如，在電子秤應(yīng)用中，除了電橋傳感器的主要變量外，還需要監(jiān)測(cè)輔助變量（如溫度），以補(bǔ)償電橋特性隨溫度的變化。

傳統(tǒng)上，Σ-Δ型ADC使用前端集成多路復(fù)用器的單個(gè)轉(zhuǎn)換器來(lái)測(cè)量多個(gè)輸入變量。這意味著最終用戶(hù)必須在前端切換通道來(lái)測(cè)量輔助變量;因此，在切換輸入源時(shí)，測(cè)量速度會(huì)受到與數(shù)字濾波器相關(guān)的建立時(shí)間和延遲的影響。在Σ-Δ ADC使用二階調(diào)制器和三階數(shù)字濾波器的系統(tǒng)中，階躍輸入的輸出建立時(shí)間為數(shù)據(jù)速率的三倍，以便完全刷新與前一個(gè)通道相關(guān)的所有數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波器。這會(huì)大大降低這些應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)吞吐量。

AD7719通過(guò)集成兩個(gè)獨(dú)立的ADC通道并聯(lián)轉(zhuǎn)換來(lái)克服這一問(wèn)題。主變量和次變量同時(shí)轉(zhuǎn)換，兩個(gè)測(cè)量的輸出數(shù)據(jù)并行提供，從而避免了與多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相關(guān)的延遲。此外，片內(nèi)電流源可用于激勵(lì)溫度傳感器，例如用于溫度監(jiān)控的熱敏電阻或RTD。

在低功耗電池供電稱(chēng)重系統(tǒng)中，第二個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是待機(jī)模式下前端傳感器的不必要功耗。AD7719的片內(nèi)低邊功率開(kāi)關(guān)可以在低功耗模式下斷開(kāi)傳感器的電源，從而節(jié)省大量功耗，從而解決這個(gè)問(wèn)題。

秤應(yīng)用的另一個(gè)問(wèn)題涉及校準(zhǔn)：何時(shí)以及多久進(jìn)行一次？由于AD7719經(jīng)過(guò)工廠校準(zhǔn)，并且信號(hào)鏈在其實(shí)現(xiàn)過(guò)程中采用斬波方案，因此增益和失調(diào)漂移降至最小，因此無(wú)需在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行校準(zhǔn)。當(dāng)AD7719用于電子秤應(yīng)用時(shí)，這是一個(gè)關(guān)鍵的性能優(yōu)勢(shì)（圖4）。

在圖4電路中，主通道監(jiān)視橋式傳感器，次通道通過(guò)熱敏電阻監(jiān)視溫度。橋式傳感器的差分輸出端子（OUT+ 和 OUT–）連接到差分輸入端子 AIN1 和 AIN2。靈敏度為 3 mV/V 的典型電橋在用 15 V 激勵(lì)源激勵(lì)時(shí)將產(chǎn)生 5 mV 的額定滿(mǎn)量程輸出。電橋的激勵(lì)電壓可用于通過(guò)合適的電阻分壓器直接為ADC提供基準(zhǔn)電壓源，從而利用輸入的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍。由于這種實(shí)現(xiàn)是完全比率式的，因此激勵(lì)電壓的變化不會(huì)在系統(tǒng)中引入誤差。如圖所示，選擇電阻值20 kΩ和12 kΩ，當(dāng)激勵(lì)電壓為1 V時(shí)，AD875的基準(zhǔn)電壓為7719.5 V。當(dāng)主通道設(shè)置為增益為128時(shí)，滿(mǎn)量程15 mV輸入范圍對(duì)應(yīng)于傳感器的全輸出范圍。電子秤應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵要求是盡可能抑制交流電源頻率分量（50 Hz和60 Hz）。通過(guò)對(duì)AD50進(jìn)行編程，輸出數(shù)據(jù)速率為60.7719 Hz，可以獲得19 Hz和8 Hz同步抑制。 AD13配置為增益為7719，更新速率為128.19 Hz，可實(shí)現(xiàn)8位峰峰值分辨率。通過(guò)降低更新速率或在控制器中執(zhí)行額外的數(shù)字濾波，可以提高峰間分辨率。

溫度使用熱敏電阻和AD7719的次級(jí)通道測(cè)量。熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料形成的高溫度系數(shù)電路元件，具有負(fù)溫度系數(shù)或正溫度系數(shù)（NTC或PTC）。NTC熱敏電阻的作用類(lèi)似于電阻器，其溫度系數(shù)通常為–3%至–5%/°C。 熱敏電阻在許多應(yīng)用中以具有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格提供高穩(wěn)定性、高精度、小尺寸和兼容性等優(yōu)點(diǎn)。它們響應(yīng)速度快，是目前靈敏度最高的溫度傳感器之一。圖4電路的工作溫度范圍由熱敏電阻的選擇決定。使用Betatherm的1K7A1熱敏電阻，在1°C時(shí)標(biāo)稱(chēng)電阻為25 kΩ，并使用200μA激勵(lì)電流源，工作溫度范圍為–26°C至+70°C。

在本應(yīng)用中，激勵(lì)熱敏電阻的200 μA電流源也會(huì)為AD7719產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓。因此，激勵(lì)電流的變化不會(huì)影響性能，并且配置提供了完全的比例轉(zhuǎn)換。這些應(yīng)用中最常見(jiàn)的接線布置是 4 線力/傳感配置，以減少引線電阻對(duì)系統(tǒng)性能的影響。雖然驅(qū)動(dòng)線的引線電阻會(huì)改變共模電壓，但不會(huì)降低電路的性能。檢測(cè)線的引線電阻無(wú)關(guān)緊要，因?yàn)锳D7719模擬輸入的高輸入阻抗導(dǎo)致這些導(dǎo)線中沒(méi)有電流流動(dòng)。但是，基準(zhǔn)設(shè)置電阻必須具有較低的溫度系數(shù)，以避免基準(zhǔn)電壓隨溫度變化而產(chǎn)生誤差。將AD7719上的次級(jí)通道配置為19.8Hz更新速率，可以獲得16位峰峰值性能。

圖4.電子秤應(yīng)用利用了AD7719的許多特性。

充分利用AD7719匹配電流源的另一個(gè)應(yīng)用是使用3線RTD進(jìn)行精密溫度測(cè)量，如圖5所示* 在三線制配置中，如果使用單個(gè)電流源，引線電阻會(huì)導(dǎo)致誤差，因?yàn)榱鹘?jīng)RL200和RL1的3 μA激勵(lì)電流 將在 RL1 上產(chǎn)生壓降，從而增加 RTD 電壓并導(dǎo)致 AIN1 和 AIN2 之間的誤差。

然而，在圖5所示的方案中，第二個(gè)電流源通過(guò)RL2提供相等且相反的補(bǔ)償電流IOUT2來(lái)消除該誤差，該電流在相反方向上產(chǎn)生相等的壓降。該電流增加IOUT1，并通過(guò)R3和任何共模電阻無(wú)害地流向地，產(chǎn)生共模電壓，該電壓被差分輸入抑制。

圖5.使用AD3進(jìn)行7719線RTD測(cè)量。

該分析假設(shè)RL1和RL2相等，因?yàn)橐€通常采用相同的材料且長(zhǎng)度相等，并且電流總和產(chǎn)生的共模電壓在ADC的共模范圍內(nèi)。如圖所示，IOUT1的電流還用于在7719.12 kΩ電阻兩端為AD5開(kāi)發(fā)基準(zhǔn)電壓源電壓，并施加于AD7719的差分基準(zhǔn)電壓輸入端。該方案可確保模擬輸入電壓范圍與基準(zhǔn)電壓保持成比例。由于RTD電流源的溫度漂移，模擬輸入電壓中的任何誤差都可以通過(guò)基準(zhǔn)電壓的變化來(lái)補(bǔ)償。兩個(gè)RTD電流源的匹配度通常優(yōu)于1%。任一電流源的電壓順從性均為AVDD– 0.6 V.

審核編輯：郭婷