16位∑－Δ模數轉換器AD7705及其校準

1 ad7705簡介
ad7705是ad公司推出的16位∑－δ（電荷平衡式）a/d轉換器。他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、∑－δ調制器及可編程數字濾波器等，能直接對來自傳感器的微弱信號進行a/d轉換。此外他還具有高分辨率、寬動態范圍、自校準，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。
1.1 基本特性
ad7705的基本特性為：16位無丟失代碼；0.003％的非線性度；pga可選擇1，2，4，8，16，32，64，128；8種增益；輸出數據更新速率可編程；具有自校準和系統校準功能，三線串行接口，可緩沖模擬輸入；低功耗。
1.2 引腳功能
ad7705的引腳排列如圖1所示，各引腳的功能說明如下：

sclk：串行時鐘輸入。
mclk in：主時鐘輸入。時鐘頻率為500khz－5mhz。
mclk out：主時鐘輸出。
cs反：片選，低電平有效。
reset反：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；
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得正、負輸入端。
ref in（＋）、ref in（－）：分別為參考電壓的正、負端。為了確保元件的正常工作，ref in（＋）端口的輸入信號必須大于ref in（－）端的輸入。
drdy反：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。

idn，dout：分別為串行數據輸入和輸出端。

1.3 片內寄存器

ad7705共有8個片內寄存器，他們是通信寄存器、設置寄存器、時鐘寄存器、數據寄存器以及幾個測試和校準寄存器。這些寄存器的任何操作都必須先寫通信寄存器，然后才能對其他寄存器進行操作。

（1）通信寄存器

通信寄存器是一個8位讀/寫寄存器，寫入通信寄存器的數據決定下一次讀/寫操作在哪一個寄存器上進行，完成對所選寄存器的讀/寫操作后，該端口等待下一次寫操作，這也是通信寄存器的缺省狀態，如果在din為高電平時，寫操作持續的時間足夠長（至少32個串行時鐘周期），那么ad7705將返回該缺省狀態。

通信寄存器中的rs2，rs1，rs0為寄存器選擇位，他們決定對哪一個寄存器進行讀/寫操作，常用的寄存器主要有通信寄存器（rs2rs1rs0＝000）、設置寄存器（rs2rs1rs0＝001）、時鐘寄存器（rs2rs1rs0＝010）以及數據寄存器（rs2rs1rs0＝011）。r/w反為讀寫選擇位。該位確定對選定寄存器進行讀還是寫操作，"0"表示寫操作，"1"表示讀操作。ch1，ch0為通道選擇位，00選擇通道1，01選擇通道2。

（2）設置寄存器

設置寄存器是一個8位讀/寫寄存器，其中md1，md0為工作模式選擇位，md1md0＝00，01，10，11分別對應正常工作模式，自校準、零標度系統校準以及滿標度系統校準。g2，g1，g0為增益選擇位，g2g1g0＝000－111分別對應1，2，4，8，16，32，64，128八種增益。

（3）時鐘寄存器

時鐘寄存器是一個8位讀/寫寄存器。其中clk為時鐘位。如果器件的主時鐘頻率為2.457 6mhz（clkdiv＝0）或4.915 2mhz（clkdiv＝1），該位置"1"，如果主時鐘頻率為1mhz（clkdiv＝0）或者2mhz（clkdiv＝1），該位置"0"，此外clk還與fs1和fs0共同選擇器件的輸出更新速率。

（4）數據寄存器

數據寄存器是一個16位只讀寄存器，他用來存放ad7705的最新轉換結果。這里要注意：當對ad7705進行寫操作時，ad7705期望msb（最高有效位）在前，但微控制器（如8051系列）首先輸出lsb（最低有效位），因此必須對數據進行倒序。不過同時還要注意：數據寄存器雖然是一個16位寄存器，但他由2個8位存貯單元組成，因此必須分成2個8位分別進行倒序。進行讀操作時同樣如此。

（5）測試寄存器

該寄存器主要用于測試，建議用戶不要隨便對其進行更改。

（6）零標度寄存器

（7）滿標度寄存器

2 校準

當環境溫度、工作電壓、增益或雙極/單極輸入范圍變化時，必須對ad7705進行校準，校準可通過對寄存器的md1和md0位編程實現，校準可去除偏置和增益誤差。

2.1 自校準

對于所選通道，無論使用何種校準模式，adc的片上微控制器必須記錄2個不同模擬輸入狀態的調制器輸出，也就是"零標度"和"滿標度"點。通過這些轉換，微控制器可以計算轉換器輸入/輸出轉換函數的增益斜率，元件內部通過33位分辨率決定16位的轉換結果。

自校準模式中，adc決定內部校準點，ad7705在內部短接2個輸入端比如ain（＋）＝ain（－）＝vref），以得到用以確定校準系系數的零標度點，只要模擬輸入引腳上的信號不超過正常范圍，他們就不會影響校準過程。而滿標度系數則可以在選定的增益下，通過輸入端施加電壓vref來確定。

自校準可以通過寫設置寄存器中的md1和md0來實現（md1md0＝01）。在該校準模式中，可以通過drdy來確定轉換何時結束且模擬輸入的轉換數據可用。校準初始化時drdy為高電平，直到外部模擬輸入的轉換結果可用時才變為低電平，校準過程必須考慮pga的增益。

2.2 系統校準

系統校準通過寫設置寄存器中的md1和md0來實現，他分2步完成，可補償系統增益、偏移以及器件內部誤差。在選定的增益下，先后在外部給ain（＋）端施加零標度電壓和滿標度電壓，分別校準零標度點（md1md0＝10）和滿標度點（md1md0＝11）。根據零標度和滿標度校準的數據，片內微控制器計算出轉換器的輸出/輸出轉換函數的偏移和增益斜率，對誤差進行補償。在單極性模式下，系統校準在轉換函數的零標度和滿標度之間完成；在雙極性模式下，標準在中點電壓（零差分電壓）和正的滿標度電壓之間完成。

2.3 現場校準

系統校準作為工廠校準的一部分，實現起來并不困難，然而由于校準過程中必須在2個模擬輸入端施加系統零標度和滿標度電壓，而現場的2種標度電壓并不容易確定，因此現場的系統校準實現起來要麻煩得多。這樣一來，用戶在進行工廠系統校準后，還必須考慮如何消除由現場溫度變化所延期的adc漂移誤差。下面就介紹一種解決該問題的方法，他包括工廠校準和現場校準2個部分。

（1）工廠校準

在選定增益和輸出更新速率下，進行自校準；
讀取并存儲校準寄存器內容，令偏移＝z0，增益＝g0；
在選定增益和輸出更新速率下，進行系統校準；
讀取并存儲校準寄存器內容，令偏移＝zs，增益＝gs，將系統校準系統加載到adc中，便可在現場使用該系統。
如果環境溫度變化，可以遵照以下方法對偏移和增益漂移進行校準。

（2）現場校準

在選定增益和輸出更新速率下，進行自校準，這里要注意：增益和輸出更新速率必須跟前面的自校準和系統校準保持一致；
讀取校準寄存器內容，令偏移＝z1，增益＝g1；
計算新的校準系數：zn＝zs＋（z1－z0）
gn＝zs×（g1/g0）
將zn與gn寫入校準寄存器。
該方法不僅保留了初始的系統校準，又對系統進行了調整，這樣便可消除adc中由溫度漂移引起的誤差。不過該方法也只能消除由adc引起的漂移誤差，對于由模擬前端信號鏈引起的漂移誤差則不起作用。

2.4 手動校準

在校準過程中，當輸入范圍不是正常輸入范圍時，校準過程中不能通過零標度和滿標度電壓進行系統校準，這時便可通過認為改變校準系數來解決該問題。下面便介紹如何改變系數，來適應輸入范圍不是0－vref（±vref）時的情況，首先，應該針對適當的增益，輸入范圍、更新速率以及選擇的單/雙輸入模式，使用自校準程序進行校準。然后根據自校準得到的系數，計算出新的系數。

例如，如果所需電壓vin表述如下：
vin＝a×vref＋b
式中b為偏移電壓，a×vref為輸入間距。當短接輸入端進入零標度校準，且施加vref進行滿標度校準時，a＝1，b＝0，當輸入范圍不是0－vref（±vref）時，可以遵照下面的步驟進行處理：首先減去偏移b，這樣便可以在模擬輸入電壓為b時得到0代碼，然后通過a×vref來調整輸入范圍，這樣輸入vin便可得到滿標度代碼。
手動校準過程大致如下：首先進行自校準，并讀取校準系數，定義z0＝零標度系數，f0＝滿標度系數，接下來便可將z0和f0代入下面的公式，求出適用于新的輸入范圍的新系數：
zn＝z0＋（b×220/（span×f0/224））
fn＝f0/a
式中，span為正常情況下的滿標度電壓間距，單極模式下等于vref/增益，雙極模式下等于2×vref/增益，b為偏移電壓（單位：v），a為相對于正常間距的縮放因子，為了確保元件正常工作，a的值必須位于0.8－1.05之間，至此，將zn和fn寫入校準寄存器，器件便可繼續進行a/d轉換。
下面通過具體的實例進行說明，假如器件使用單極模式，自校準后ad7705的零標度系數為2 165 373，滿標度系數為5 416 211，由于使用單極模式，因此用作校準的電壓范圍為0－vref，當使用5v電壓時，vref等于2.5v，如果用戶所需模擬輸入范圍為0.2－2.6v，那么，b＝0.2，而a＝（2.6－0.2）/2.5＝0.96，這樣便可求出新的標度系數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
這里需要說明的是，只有當用戶清楚地了解期望輸入范圍的上、下限以及實際輸入間距與正常輸入間距之比時，才能使用這種方法。
使用該方法時，如果用戶能確保變量a位于0.8－1.05之間，那么ad7705能夠滿足數據手冊中的噪聲要求。例如，在單極模式中，當電壓為5v，更新速率為50hz，增益為1時，ad7705的rms噪聲為4.1μv，其信號范圍為0－2.5v。在上例中，將輸入范圍改為0.2－2.5v。如果操作條件（更新速率、增益等）不變，那么噪聲仍為4.1μv。使用前一輸入范圍時，取整后的峰－峰分辨率為log（2.5v/6.6×4.1μv）/log 2＝16位，而更改后的峰－峰分辨率為log（2.4v/6.6×1.5μv）/log2＝16位，他同樣也進行了取整。

2.5 校準頻度

校準的頻繁程度通常由以下幾個因素決定：

（1）轉換器所需的精度；
（2）漂移特性對adc性能的影響；
（3）系統的工作溫度。

當然還有其他一些因素也會對其產生影響，比如熱電偶的影響及增益漂移等。
通常，所需的精度越高，校準就越頻繁，進行校準后，高分辨率的轉換器將會附帶一些偏移與增益漂移誤差，比如，ad7705由溫度引起的偏移為0.5μv/℃。因此為了提高精度，有時也必須考慮寄生電偶的溫度效應以及器件外部的漂移源等。