采用AD7705設計的萬能信號輸入電路

在智能儀器儀表的數據采集中，由于傳統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轉換器將多種輸入信號進行轉換，以實現單片機的控制。在許多應用場合需要16位以上的高精度測量，而傳統的積分型和逐次比較型A/D實現起來難度較大，成本很高。因此本電路采用了16位的∑-?型AD7705作為模數轉換器，實現了電壓、電阻、電流等不同量程信號輸入，進而進行數據的存儲和顯示。

1.AD7705介紹

AD7705是一種片內帶數字濾波的∑-?型A/D轉換器，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，然后產生串行的數字輸出，利用∑-?轉換技術實現了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校準選項，以消除器件本身或系統的增益和偏移誤差。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：復位。該端口為低電平時，可以將控制邏輯、接口邏輯、校準系數以及數字濾波器等復位為上電狀態(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據轉換;高電平時不可讀取數據;

DIN，DOUT：分別為串行數據輸入和輸出端;

VDD：電源電壓，+2.7～+5.25V;GND：內部電路的地電位基準點。

2.電路設計

在該電路設計中，必須考慮隔離技術的實施，以提高系統的抗干擾能力。并且使A/D轉換過程容易進行，這是系統關鍵技術之一。

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，可以實現多種輸入信號的采集和轉換。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作為數據采集電路的模數轉換器，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（﹢），兩檢測電壓最終轉換成數字量輸出，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，結果存儲在24C64中。

當輸入信號為電壓時，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，統記為UAB由電路圖可知該電壓信號經過兩個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（﹢）的關系式如下：

當輸入信號為電流時，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，統記為IAC，AC端子之間并聯250Ω的標準電阻，使線性電流轉換為線性電壓，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的。具體的計算關系如下：

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，統記為RT。為了推導公式和解釋方便，需要對一些變量進行設定。三根導線的電阻值設為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公式相同。

當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國際標準，采用S、B、E、K、R、J、T七種標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換為溫度值，有關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轉換器進行隔離，并通過DC/DC轉換器產生+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，在初始設定時將AD7705的信息寫入24C64芯片中，這樣AD7705的設置信息將永遠保存在該存儲器中，以后不用重復設定.24C64芯片和AD7705放在一個模塊上，可以即插即用，使用方便。

設計的這個基于AD7705的萬能信號輸入電路的輸出端采用SPI串行通信協議，SPI就是串行外圍設備接口，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總線系統以主從方式工作，在本電路中SPI總線包括DIN（串行數據輸入）、DOUT（串行數據輸出）、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和負責通信的三根線了，通信是通過數據交換完成的，這里先要知道SPI是串行通信協議，也就是說數據是一位一位的傳輸的，這就是時鐘線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據傳輸。數據輸出通過DIN線，數據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。完成一位數據傳輸，數據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位數據的傳輸。

要注意的是SCLK信號線只由主設備控制，即由該儀表的CPU來控制，AD7705不能控制信號線。SPI允許數據一位一位的傳送，甚至允許暫停，因為SCLK時鐘線由主控設備控制，當沒有時鐘跳變時，從設備不采集或傳送數據;也就是說，主設備通過對SCLK時鐘線的控制可以完成對通信的控制。SPI還是一個數據交換協議，因為SPI的數據輸入和輸出線獨立，所以允許同時完成數據的輸入和輸出;由于本電路是數據采集電路，因此只需要AD7705對數據進行采集輸出就可以。

輸出端子信號為：

H-24C64數據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數字信號輸入、輸出線。

結束語

本文總結了采用AD7705的萬能信號輸入電路設計。該電路實測結果達到了設計標準，具有多種信號輸入功能。本電路通道數多，功耗低，精度高，采取隔離設計，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據采集電路使用。
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