24位Σ-Δ模數(shù)轉換器AD7787的工作原理、特點及應用事項

1 、概述

AD7787是ADI公司推出的適用于低頻測量的低功耗、低噪聲、雙通道、24位Σ-Δ模數(shù)轉換器。它利用片內時鐘電路工作，因而無需用戶提供時鐘源。AD7787的數(shù)據(jù)輸出速率可由軟件設置，這一特性使其轉換速率可在9.5Hz～120Hz之間變化。該芯片采用10腳MSOP封裝，非常適合用需要高分辨率、低功耗的便攜式儀器、溫度測量、傳感器測量、稱重儀等。

AD7787的主要特點如下：

●可在2.5V～5.25V電壓范圍內工作。正常模式下的最大工作電流為75μA，掉電模式下為1μA；

●9.5Hz轉換速率下的RMS噪聲為1.1μV；

●22位有效分辨率時的峰峰值分辨率為19.5位；

●內部非線性度：3.5ppm；

●具有50Hz和60Hz同步抑制功能；

●具有內部時鐘振蕩器和VDD監(jiān)控通道；

●內含軌至軌輸入緩沖器；

●帶有三線制串行接口，與SPI、QSPI、MICROWIRE及DSP兼容；

●工作溫度范圍為-40～+105℃。

2 、引腳排列及功能

AD7787的引腳排列如圖1所示。

3、 工作原理

AD7787的內部結構功能框圖如圖2所示。它內部集成了一個Σ-Δ調制器、一個緩沖器和一個片內數(shù)字濾波器。數(shù)字濾波器的主要功能是提供正常模式抑制。在16.6Hz默認轉換速率條件下，它能提供50Hz和60Hz的同步抑制。AD7787采用內部時鐘電路工作，因而無需外接時鐘源。時鐘頻率以2、4、8因子分頻后應用于調制器和濾波器，從而可降低芯片的功耗。當采用5V單電源供電、緩沖器使能且時鐘以最大速率工作時，AD7787的功耗電流最大僅為160μA。

AD7787有5個片內寄存器：通信寄存器、狀態(tài)寄存器、模式寄存器、濾波器寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。所有對AD7787的設置和控制都是通過這些寄存器來實現(xiàn)的。

????AD7787具有三種工作模式，分別為：單轉換模式、連續(xù)轉換模式和連續(xù)模式。

3.1 單轉換模式

單轉換模式時的轉換時序如圖3所示。此模式下，AD7787在轉換期間被置于關閉模式。通過將模式寄存器的MD1位置1、MD0位置0可實現(xiàn)單轉換初始化。AD7787上電后首先執(zhí)行單轉換模式，然后返回到關閉模式。此轉換需2個ADC時鐘周期。轉換完成后，DOUT/RDY變低。數(shù)據(jù)字從數(shù)據(jù)寄存器讀出后，DOUT/RDY變高。而如果CS為低電平，則DOUT/RDY將保持高電平直到另一次轉換被初始化并完成。實際上，如果有必要，即使DOUT/RDY已經(jīng)變?yōu)楦唠娖?，仍可對?shù)據(jù)寄存器進行幾次讀操作。

3.2 連續(xù)轉換模式

圖4所示是連續(xù)轉換模式的時序。這是上電缺省模式。AD7787進行連續(xù)轉換時，狀態(tài)寄存器內的RDY引腳在每次轉換結束后變低。如果CS為低，轉換完成后DOUT/RDY線也將變低。用戶可通過向通信寄存器進行寫操作來說明下一個操作是讀數(shù)據(jù)寄存器。一旦SCLK脈沖應用于ADC，數(shù)字轉換就被置于DOUT/RDY引腳上。讀轉換時，DOUT/RDY將返回到高電平。若有需要，用戶可再讀取幾次寄存器，但必須保證數(shù)據(jù)寄存器在下次轉換完成前不被訪問，否則新的轉換字將會丟失。

3.3 連續(xù)讀模式

連續(xù)讀模式時的轉換時序如圖5所示。此模式下，當用戶向通信寄存器寫入001111XX后，只需為ADC提供合適的SCLK周期數(shù)，系統(tǒng)即可在轉換完成后將24位字自動置于DOUT/RDY線。這比每次轉換完成后向通信寄存器進行寫操作才能訪問數(shù)據(jù)更先進。

實際上，當DOUT/RDY變低表示轉換結束時，系統(tǒng)必須向ADC提供足夠的SCLK周期，同時將數(shù)據(jù)轉換置于DOUT/RDY線。而當轉換結果被讀出時，DOUT/RDY返回到高電平直到下一次轉換開始。在此模式下，用戶只能對數(shù)據(jù)進行讀操作，且必須保證數(shù)據(jù)字在下一次轉換結束前被讀出。若用戶沒有在下一次轉換結束前讀出數(shù)據(jù)，或者AD7787沒有足夠的時間讀出，則串行輸出寄存器將在下一次轉換結束時復位，并保存新的轉換結果。通過在RDY引腳變低時間向通信寄存器寫入001110XX指令可退出連續(xù)讀模式。在連續(xù)讀模式下，如果ADC監(jiān)視器在DIN線上被激活，它將接收到退出連續(xù)讀模式的命令。另外，若32個連續(xù)1出現(xiàn)在DIN線上，則ADC復位，而且DIN一直保持低電平，直到重新向芯片寫指令。

4、 應用中需注意的問題

4.1 模擬輸入通道

AD7787緩沖模式下的絕對輸入電壓范圍限制在GND+100mV～VDD-100mV，因此必須小心設置共模電壓以免超出限制而降低AD7787的線性度和噪聲性能；非緩沖模式下的絕對輸入電壓范圍為GND-100mV～VDD+30mV，此時不能監(jiān)控對地的、小的真雙極性信號。另外需要注意的是，由于非緩沖輸入通道給驅動源提供了一個動態(tài)負載。因此，連接在輸入管腳上的電阻/電容會引起直流增益誤差，此誤差的大小取決于驅動ADC輸入源的輸出阻抗。



????4.2 參考輸入

應用參考輸入時應當注意，由于參考輸入可能會產生一個高阻抗動態(tài)負載。因此，連接在輸入管腳上的電阻/電容也可能會引起直流增益誤差，此誤差的大小取決于驅動參考輸入源的輸出阻抗。另外，由于推薦使用的參考電壓源的輸出阻抗較低，因此應REFIN引腳上連接退耦電容，且應以不給系統(tǒng)引入增益誤差為原則。通過外部電阻獲得的參考輸入電壓意味著參考輸入可看作是一個大的外部源阻抗，故此類型電路配置不推薦在REFIN引腳上外接退耦裝置。

4.3 接地和布線

AD7787比傳統(tǒng)的高分辨率轉換器更能抑制噪聲干擾。它的數(shù)字濾波器可抑制電源電壓上的寬帶噪聲，并去除來自模擬輸入和參考輸入的噪聲。然而，由于AD7787的分辨率很高，且產生的噪聲非常低，因此要合理設計地線和布線。

設計AD7787印刷電路板時，應將模擬部分和數(shù)字部分分開，并應將其限制在板內確定的區(qū)域。同時應將AD7787的GND引腳與系統(tǒng)的AGND相連。在任一布線層，用戶必須留意系統(tǒng)內的電流流動，以保證所有電流的返回路徑都盡可能地靠近它們到達目的地所走的路徑，以避免數(shù)字電流流過板內AGND部分。

為了防止噪聲耦合，應在AD7787所在層的下面布一層地線。另外，為降低電源線上的阻抗和減少電源線上的干擾效應，應將AD7787的電源線盡可能加寬?？焖俎D換信號（如時鐘信號）必須使用數(shù)字地將其屏蔽，以避免其向板內的其它部分輻射噪聲。此外，還應避免數(shù)字信號和模擬信號的相互干擾。不同相鄰層上的走線不要直角走線，以避免產生饋通噪聲。

????使用高分辨率ADC時，電源和地的去耦設計是至關重要的。為此供電電源VDD應采用電容旁路技術，采用0.1μF的旁路電容并以盡可能短的路徑連接各相應的電源和地，這樣可旁路掉高頻成分，同時，還應并聯(lián)1個10μF的鉭電容旁路低頻成分。所有的邏輯芯片均應通過0.1μF陶瓷電容來退耦。

5、 應用電路

電池監(jiān)測中，通常需要測量電池的電流和電壓，具體監(jiān)控電路如圖6所示。圖中，電流流經(jīng)一個100μΩ的電阻器，其值在-200A～+2000A之間變化，該電流的測量可通過AIN1通道與分流電阻直接連接來實現(xiàn)。電池電壓的變化范圍為12V～42V，峰值電壓為60V。在它應用于AD7787之前，使用外部電阻網(wǎng)可衰減此電壓。由于AD7787本身帶有緩沖器，因此，用戶可直接將AIN2通道與高阻抗衰減器電路相連接，而不必擔心會引入增益誤差。

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