周跃钢1,吴昌林1, 陈光前2(1. 华中科技大学 机械科学与工程学院,湖北 武汉430074;2. 东风汽车有限公司 商用车研发中心,湖北 十堰442001)

     摘　要：介绍了a/d转换器ad7730的基本原理,其中包括a/d转换输出速率的设定、内部校准和系统校准的选择、接口电路设计等。给出了ad7730在发动机燃油消耗测量仪中的应用实例。 关键词：∑-δ a/d转换器 ad7730 校准 串行接口 ad7730是美国adi公司推出的一款高分辨率的a/d转换器,具有双通道差分模拟输入、24位无失码、21位有效分辨率、±0.0018%线性误差等特点。由于采用∑-δ转换技术,量化噪声被移至a/d转换的频带以外,因此ad7730特别适合用于宽动态范围内的低频信号a/d转换,具有优良的抗噪声性能。在发动机燃油消耗测量仪中使用ad7730直接与称重传感器和单片机接口,并由单片机读入a/d转换值,进行发动机平均油耗计算并显示输出,就是其应用之一。 1 ad7730的工作原理和内部结构 1.1 ∑-δ a/d转换器原理 ∑-δ a/d转换器的工作原理如图1所示,它以k倍过采样频率kfs(fs采样频率)采样模拟输入信号,并通过噪声整形电路将fs/2信号带宽内的大部分量化噪声移至a/d转换频带之外的fs/2至kfs/2之间,电路量化噪声降为原来的。模拟低通滤滤器只滤除kfs/2以上的噪声,因此需通过数字滤波器和采样抽取电路提取频带内的有用信号,滤除频带之外的量化噪声和无用信号,提高信噪比和有效分辨率。采样抽取的原则应满足nyquist采样定律[2],采样频率应大于信号频率的两倍(fs>2fa)。∑-δ a/d转换器的数字滤波器,用户可通过软件编程设置,从而使a/d转换器可在数据输出速率、峰-峰分辨率、噪声系数之间作出最佳的选择。 图1 ∑-δ a/d转换器的工作原理图2 ad7730内部结构图3 ad7730的读写周期时序 1.2 ad7730内部结构 ad7730内部结构如图2所示,它包含一个24位的∑-δ a/d转换器、两级可编程的数字滤波器、十三个片内控制寄存器、一个校正微处理器、两路差分模拟输入通道和双向串行输入输出接口。 1.2.1 差分模拟输入 ad7730具有两路差分模拟输入通道,通过写入方式寄存器的控制位,可设置传感器模拟输入量程范围为0～+10mv、0～+20mv、0～+40mv、0～+80mv(四种单极性信号)以及±10mv、±20mv、±40mv、±80mv(四种双极性信号),并且能够对不同幅度的传感器输入信号实现量程转换。多路转换器mux的输出在加到片内可编程增益放大器(pga)之前,要先与片内6位dac的输出求和,使输入信号在pga的允许量程范围之内(dac输出最大能抵消模拟输入信号量程范围内达±77.5mv的失调值)。 1.2.2 串行接口 ad7730工作方式的写入设置和转换结果读出都是通过串行接口对片内相应寄存器进行操作完成的。串行时钟脉冲sclk是控制a/d串行数据传送的移位脉冲。状态标志rdy标明ad7730数据寄存器的状态。a/d转换结果、校准系数、工作方式、数据输出速率则通过din、dout两条数据线进行串行读写操作来完成。图3是ad7730的读写周期时序。 写入ad7730的串行数据要先写入输入移位寄存器。当时钟逻辑引脚pol为高电平时,执行单片机位操作写指令,在sclk时钟下降沿,将数据传送至ad7730的din串行数据输入端;在sclk时钟上升沿,数据锁存到输入移位寄存器中。当移位寄存器规定的位数全部写入时,输入移位寄存器的内容便被传送至指定的片内寄存器。 当启动ad7730寄存器的读操作时,片内相应寄存器的内容传送到输出移位寄存器。当时钟逻辑引脚pol为高电平时,在sclk时钟下降沿,数据从输出移位寄存器串行输出到dout端口锁存;在sclk时钟上升沿,执行单片机位操作读指令,dout端口的数据便经串行移位读入到单片机。

     2 ad7730在发动机燃油消耗测量仪中的应用 2.1 发动机燃油消耗测量仪测量原理 测量仪的称重传感器输出与油杯和杯内燃油重量之和成正比的信号,测控软件根据耗油时间计算油杯内燃油重量与原有燃油重量的差值,以kg/h或g/s为测量单位显示油耗。称重式测量方式只与燃油的重量直接相关,而与燃油的密度、容积无关,因此不存在由于受燃油气泡的影响导致容积的变化而产生的测量误差。测量精度在很大程度上取决于称重传感器和a/d转换器的精度。 a/d转换器与检测传感器接口,传统的设计方式是设置前置放大器或接口模块。以往应用双积分型a/d转换器icl7135或逐次逼近型a/d转换器ad574与称重传感器接口时,采用运算放大器op27或仪表放大器ad620组成前置放大电路,并设置零点、增益、基准电压调整电位器。通过前置放大电路与yz108b称重传感器接口,将称重传感器0～10mv的信号放大到icl7135的0～2v的接口电平信号或ad574的0～10v的接口电平信号。由