基于PIC單片機和AD7705的高精度信號采集系統設計

在工業現場測試過程中，由于生產中的各種參數的測試數據對生產過程具有重要的意義，因此對各種測試數據精度要求較高。而對于傳統的傳感器，比如壓阻式、應變橋式、熱電偶、熱電阻、電容式以及壓電式傳感器，輸出的一般是毫伏級的微弱模擬信號，溫度特性差，而且在傳輸過程中信噪比明顯降低。因此需要設計高精度穩定性強的信號采集系統進行采集。然而采用以往的積分型和逐次比較型A／D實現高
精度信號采集的難度較大且成本很高。近年來興起的∑-△A／D轉換技術卻能以較低的成本獲取極高的分辨率。AD7705便是一款比較典型的高性能16位∑-△A／D轉換芯片。
本設計采用AD7705為A／D轉換器，配合8位高性能PIC單片機PIC18F458組成高精度信號采集系統。硬件電路設計方面在單片機與AD7705典型應用電路的基礎上做了改進，加入了光電隔離、電壓檢測復位等電路，使系統采集信號的精準度和可靠性都有了很大的提高，軟件設計方面給出了關鍵部分的程序清單。目前該系統已經成功應用于某智能儀表中，在工業現場的表現良好。

1 關鍵器件選型
1．1 AD770S概述
AD7705芯片是帶有自校正功能的∑-△16位A／D轉換器，如圖1所示。它包括由緩沖器和增益可編程放大器(PGA)組成的前端模擬調節電路、∑-△調制器以及可編程數字濾波器等，能直接將傳感器的不同擺幅范圍內的信號放大到接近A／D轉換器的滿標度電壓附近再進行A／D轉換，還可選擇輸入模擬緩沖器，以及自校準和系統校準方式。此外它還具有高分辨率、寬動態范圍、校準、低功耗及優良的抗噪聲性能，因此非常適用于儀表測量和工業控制等領域。

1．2 PIC18F458的特點
作為中高端的8位PIC系列單片機，PIC18F458是高性能的RISC CPU。具有高達2 MB的程序存儲器：4 KB的數據存儲器；高達10MIPS的執行速度；DC～40 MHz時鐘輸入；4～10MHz帶PLL鎖相環有源晶振／時鐘輸入；16位寬指令，8位寬數據通道；帶優先級的中斷；8x8單周期硬件乘法器。該款單片機不僅集成了強大的外圍功能模塊(增強型捕捉輸入功能、脈寬調制(PWM)輸出部件、I2C和SPI接口以及可尋址的通用同步／異步接收發送器(USART)串行通信接口)，而且因其特殊的單片機特性(自振式看門狗、可編程代碼保護功能、休眠省電方式等)及先進的fl-ash技術(低功耗、高增強型flash技術，全靜態設計，2．0～5．5 V寬范圍的工作電壓，工業級和擴展級溫度范圍)，可以適用各種工業控制場合。
本系統使用PIC18F458作為主控制芯片，選取此芯片與AD7705配合組建信號采樣系統，不僅是因為PIC18F458自身配備的主同步串行端口MSSP具有SPI工作方式，而且更重要的是該單片機的高性能能夠對采集到的信號進行更加有效的處理，便于系統的進一步擴展。

2 系統設計
2．1 硬件電路設計
該系統設計用于采集氧電勢和溫度的模擬信號，二者分別是氧傳感器和K型熱電偶的輸出信號。其中氧電勢信號的輸出范圍是0～1．25 V，溫度信號的輸出范圍是0～50 mV，系統原理框圖如圖2所示。

2．1．1 AD7705及前端采集電路
圖3為AD7705的外圍電路及系統的前端采集電路。氧電勢和溫度信號首先要進入濾波電路去除干擾雜波然后進行精密放大，這里采用低功耗雙運算放大器MCP602和反饋電阻組成放大電路，MCP602具有偏置電流低、運行速度快、開環增益高以及滿幅輸出等特點，而且其很寬的帶寬非常適用于A／D轉換器的驅動放大器。由于提供給AD7705的基準電壓是2．5 V，調節反饋電阻使氧電勢和溫度放大后的信號V_01和V_02都在0～2．5 V之間。