AD7705使用说明

       AD7705的基本特性为：16位无丢失代码;0.003％的非线性度;pga可选择1,2,4,8,16,32,64,128;8种增益;输出数据更新速率可编程;具有自校准和系统校准功能,三线串行接口,可缓冲模拟输入;低功耗。

图1 AD7705引脚图

       AD7705的引脚排列如图1所示,各引脚的功能说明如下：

　　sclk：串行时钟输入。

　　mclk in：主时钟输入。时钟频率为500kHz－5mhz。

　　mclk out：主时钟输出。

　　cs反：片选,低电平有效。

　　reset反：复位。该端口为低电平时,可以将控制逻辑、接口逻辑、校准系数以及数字滤波器等复位为上电状态;

　　ain2（＋）、ain2（－）：分别为差分模拟输入通道2的正、负输入端。

　　ain1（＋）、ain1（－）：分别为差分输入通道1得正、负输入端。

　　ref in（＋）、ref in（－）：分别为参考电压的正、负端。为了确保元件的正常工作,ref in（＋）端口的输入信号必须大于ref in（－）端的输入。

　　drdy反：逻辑输出。低电平表示可以读取新的数据转换;高电平时不可读取数据。

　　idn,dout：分别为串行数据输入和输出端。

　　片内寄存器

　　AD7705共有8个片内寄存器,他们是通信寄存器、设置寄存器、时钟寄存器、数据寄存器以及几个测试和校准寄存器。这些寄存器的任何操作都必须先写通信寄存器,然后才能对其他寄存器进行操作。

　　（1）通信寄存器

　　通信寄存器是一个8位读/写寄存器,写入通信寄存器的数据决定下一次读/写操作在哪一个寄存器上进行,完成对所选寄存器的读/写操作后,该端口等待下一次写操作,这也是通信寄存器的缺省状态,如果在din为高电平时,写操作持续的时间足够长（至少32个串行时钟周期）,那么ad7705将返回该缺省状态。

　　通信寄存器中的rs2,rs1,rs0为寄存器选择位,他们决定对哪一个寄存器进行读/写操作,常用的寄存器主要有通信寄存器（rs2rs1rs0＝000）、设置寄存器（rs2rs1rs0＝001）、时钟寄存器（rs2rs1rs0＝010）以及数据寄存器（rs2rs1rs0＝011）。r/w反为读写选择位。该位确定对选定寄存器进行读还是写操作,”0″表示写操作,”1″表示读操作。ch1,ch0为通道选择位,00选择通道1,01选择通道2。

　　（2）设置寄存器

　　设置寄存器是一个8位读/写寄存器,其中md1,md0为工作模式选择位,md1md0＝00,01,10,11分别对应正常工作模式,自校准、零标度系统校准以及满标度系统校准。g2,g1,g0为增益选择位,g2g1g0＝000－111分别对应1,2,4,8,16,32,64,128八种增益。

　　（3）时钟寄存器

　　时钟寄存器是一个8位读/写寄存器。其中clk为时钟位。如果器件的主时钟频率为2.457 6mhz（clkdiv＝0）或4.915 2mhz（clkdiv＝1）,该位置”1″,如果主时钟频率为1mhz（clkdiv＝0）或者2mhz（clkdiv＝1）,该位置”0″,此外clk还与fs1和fs0共同选择器件的输出更新速率。

　　（4）数据寄存器

　　数据寄存器是一个16位只读寄存器,他用来存放ad7705的最新转换结果。这里要注意：当对ad7705进行写操作时,ad7705期望msb（最高有效位）在前,但微控制器（如8051系列）首先输出lsb（最低有效位）,因此必须对数据进行倒序。不过同时还要注意：数据寄存器虽然是一个16位寄存器,但他由2个8位存贮单元组成,因此必须分成2个8位分别进行倒序。进行读操作时同样如此。

　　（5）测试寄存器

　　该寄存器主要用于测试,建议用户不要随便对其进行更改。

　　（6）零标度寄存器

　　（7）满标度寄存器

　　校准：当环境温度、工作电压、增益或双极/单极输入范围变化时,必须对ad7705进行校准,校准可通过对寄存器的md1和md0位编程实现,校准可去除偏置和增益误差。

　　自校准

　　对于所选通道,无论使用何种校准模式,adc的片上微控制器必须记录2个不同模拟输入状态的调制器输出,也就是”零标度”和”满标度”点。通过这些转换,微控制器可以计算转换器输入/输出转换函数的增益斜率,元件内部通过33位分辨率决定16位的转换结果。

　　自校准模式中,adc决定内部校准点,ad7705在内部短接2个输入端比如ain（＋）＝ain（－）＝vref）,以得到用以确定校准系系数的零标度点,只要模拟输入引脚上的信号不超过正常范围,他们就不会影响校准过程。而满标度系数则可以在选定的增益下,通过输入端施加电压vref来确定。

　　自校准可以通过写设置寄存器中的md1和md0来实现（md1md0＝01）。在该校准模式中,可以通过drdy来确定转换何时结束且模拟输入的转换数据可用。校准初始化时drdy为高电平,直到外部模拟输入的转换结果可用时才变为低电平,校准过程必须考虑pga的增益。

　　系统校准

　　系统校准通过写设置寄存器中的md1和md0来实现,他分2步完成,可补偿系统增益、偏移以及器件内部误差。在选定的增益下,先后在外部给ain（＋）端施加零标度电压和满标度电压,分别校准零标度点（md1md0＝10）和满标度点（md1md0＝11）。根据零标度和满标度校准的数据,片内微控制器计算出转换器的输出/输出转换函数的偏移和增益斜率,对误差进行补偿。在单极性模式下,系统校准在转换函数的零标度和满标度之间完成;在双极性模式下,标准在中点电压（零差分电压）和正的满标度电压之间完成。

　　现场校准

　　系统校准作为工厂校准的一部分,实现起来并不困难,然而由于校准过程中必须在2个模拟输入端施加系统零标度和满标度电压,而现场的2种标度电压并不容易确定,因此现场的系统校准实现起来要麻烦得多。这样一来,用户在进行工厂系统校准后,还必须考虑如何消除由现场温度变化所延期的adc漂移误差。下面就介绍一种解决该问题的方法,他包括工厂校准和现场校准2个部分。

　　（1）工厂校准

　　在选定增益和输出更新速率下,进行自校准;读取并存储校准寄存器内容,令偏移＝z0,增益＝g0;

　　在选定增益和输出更新速率下,进行系统校准;读取并存储校准寄存器内容,令偏移＝zs,增益＝gs,将系统校准系统加载到adc中,便可在现场使用该系统。

　　如果环境温度变化,可以遵照以下方法对偏移和增益漂移进行校准。

　　（2）现场校准

　　在选定增益和输出更新速率下,进行自校准,这里要注意：增益和输出更新速率必须跟前面的自校准和系统校准保持一致;

　　读取校准寄存器内容,令偏移＝z1,增益＝g1;计算新的校准系数：zn＝zs＋（z1－z0）。gn＝zs×（g1/g0）将zn与gn写入校准寄存器。

　　该方法不仅保留了初始的系统校准,又对系统进行了调整,这样便可消除adc中由温度漂移引起的误差。不过该方法也只能消除由adc引起的漂移误差,对于由模拟前端信号链引起的漂移误差则不起作用。

　　手动校准

　　在校准过程中,当输入范围不是正常输入范围时,校准过程中不能通过零标度和满标度电压进行系统校准,这时便可通过认为改变校准系数来解决该问题。下面便介绍如何改变系数,来适应输入范围不是0－vref（±vref）时的情况,首先,应该针对适当的增益,输入范围、更新速率以及选择的单/双输入模式,使用自校准程序进行校准。然后根据自校准得到的系数,计算出新的系数。

　　例如,如果所需电压vin表述如下：vin＝a×vref＋b。式中b为偏移电压,a×vref为输入间距。当短接输入端进入零标度校准,且施加vref进行满标度校准时,a＝1,b＝0,当输入范围不是0－vref（±vref）时,可以遵照下面的步骤进行处理：首先减去偏移b,这样便可以在模拟输入电压为b时得到0代码,然后通过a×vref来调整输入范围,这样输入vin便可得到满标度代码。

　　手动校准过程大致如下：首先进行自校准,并读取校准系数,定义z0＝零标度系数,f0＝满标度系数,接下来便可将z0和f0代入下面的公式,求出适用于新的输入范围的新系数：

　　zn＝z0＋（b×220/（span×f0/224））

　　fn＝f0/a

　　式中,span为正常情况下的满标度电压间距,单极模式下等于vref/增益,双极模式下等于2×vref/增益,b为偏移电压（单位：v）,a为相对于正常间距的缩放因子,为了确保元件正常工作,a的值必须位于0.8－1.05之间,至此,将zn和fn写入校准寄存器,器件便可继续进行a/d转换。

　　下面通过具体的实例进行说明,假如器件使用单极模式,自校准后ad7705的零标度系数为2 165 373,满标度系数为5 416 211,由于使用单极模式,因此用作校准的电压范围为0－vref,当使用5v电压时,vref等于2.5v,如果用户所需模拟输入范围为0.2－2.6v,那么,b＝0.2,而a＝（2.6－0.2）/2.5＝0.96,这样便可求出新的标度系数zn和fn：

　　zn＝2 165 373×（0.2×220/（2.5×5 416 211/224））＝2 425 218

　　fn＝5 416 211/0.96＝5 641 886

　　这里需要说明的是,只有当用户清楚地了解期望输入范围的上、下限以及实际输入间距与正常输入间距之比时,才能使用这种方法。

　　使用该方法时,如果用户能确保变量a位于0.8－1.05之间,那么ad7705能够满足数据手册中的噪声要求。例如,在单极模式中,当电压为5v,更新速率为50hz,增益为1时,ad7705的rms噪声为4.1μv,其信号范围为0－2.5v。在上例中,将输入范围改为0.2－2.5v。如果操作条件（更新速率、增益等）不变,那么噪声仍为4.1μv。使用前一输入范围时,取整后的峰－峰分辨率为log（2.5v/6.6×4.1μv）/log 2＝16位,而更改后的峰－峰分辨率为log（2.4v/6.6×1.5μv）/log2＝16位,他同样也进行了取整。

　　校准频度

　　校准的频繁程度通常由以下几个因素决定：

　　（1）转换器所需的精度;（2）漂移特性对adc性能的影响;（3）系统的工作温度。

　　当然还有其他一些因素也会对其产生影响,比如热电偶的影响及增益漂移等。通常,所需的精度越高,校准就越频繁,进行校准后,高分辨率的转换器将会附带一些偏移与增益漂移误差,比如,AD7705由温度引起的偏移为0.5μv/℃。因此为了提高精度,有时也必须考虑寄生电偶的温度效应以及器件外部的漂移源等。

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