摘 要： AD7711A是基于Δ－∑技術(shù)的高分辨率24位A/D轉(zhuǎn)換芯片，在介紹了其特點(diǎn)和應(yīng)用之后，給出了一種用AD7711A、單片機(jī)和PC構(gòu)成的高精度橡膠硫化溫控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差精度達(dá)±0.3°C。
關(guān)鍵詞： A/D轉(zhuǎn)換器 RTD Δ－∑
在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制中經(jīng)常需要對(duì)某些控制變量進(jìn)行精確測(cè)量，然后通過(guò)微型計(jì)算機(jī)計(jì)算出校正量進(jìn)行控制。傳統(tǒng)的NYQUIST率ADC(如積分型、逐次比較型、閃爍型等)無(wú)法滿(mǎn)足精度要求，美國(guó)ANALOG DEVICE公司最近推出的低價(jià)、高分辨率A/D器件AD7711A采用了Δ－∑原理，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)24位的分辨率。由于Δ－∑原理采用了過(guò)采樣、噪聲成行和數(shù)字抽取[3]等技術(shù)，可用較低的成本實(shí)現(xiàn)很高的分辨率，并且噪聲小、抗干擾能力強(qiáng)，因此特別適合于低頻率、高分辨率、寬動(dòng)態(tài)范圍的A/D轉(zhuǎn)換。
1 AD7711A的主要特點(diǎn)
·高精度，24位無(wú)漏碼，輸出±0.0015%的非線(xiàn)性。
·采用Δ－∑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，成本低、噪聲小、抗干擾能力強(qiáng)。
·內(nèi)置可編程增益放大器，增益范圍1～128，可與傳感器直接相連，輸入為雙通道，可切換。
·內(nèi)置可編程數(shù)字低通濾波器。
·內(nèi)設(shè)自校準(zhǔn)電路，有8種可選擇校準(zhǔn)模式，并可直接讀寫(xiě)自校準(zhǔn)寄存器，有效地去除了零點(diǎn)漂移和增益誤差。
·低功耗(典型應(yīng)用時(shí)為25mW)并有省電的待機(jī)模式。
·雙向串行接口，可方便地與微處理機(jī)和DSP芯片連接。
內(nèi)置的可編程增益放大器使AD7711A能直接和傳感器相連。當(dāng)參考電壓為2.5V，內(nèi)置放大器增益從1變到128時(shí)，可接受的信號(hào)范圍由0～20mV變到0～2.5V(單端)。提供了RTD激勵(lì)恒流源，簡(jiǎn)化了RTD測(cè)量溫度的電路設(shè)計(jì)。AD7711A片內(nèi)的24位可讀寫(xiě)控制寄存器使微處理機(jī)或DSP芯片能方便的控制數(shù)字濾波器的截止頻率、輸入放大器增益、通道選擇以及自校準(zhǔn)模式。AD7711A的一般主時(shí)鐘頻率為10MHz，可用單或雙電源供電。A/D轉(zhuǎn)換速率和數(shù)字濾波器的第一陷波處的頻率相等(即可編程控制)。
2 AD7711A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
AD7711A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1，它包括一個(gè)Δ－∑ADC、數(shù)字濾波器、可編程放大、時(shí)鐘發(fā)生器、24位控制/數(shù)據(jù)/校準(zhǔn)寄存器、400μA恒流源。AD7711A的引腳中SCLK為串行時(shí)鐘輸入端；MCLKIN和MCLKOU為主時(shí)鐘頻率的連接端；A0為寄存器地址選擇，A0置低時(shí)選控制寄存器，置高時(shí)選數(shù)據(jù)或自校準(zhǔn)寄存器；SYNC腳為數(shù)字濾波器復(fù)位端；MODE選擇數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)鐘 方式(外時(shí)鐘或內(nèi)時(shí)鐘)；AIN1+、AIN－、AIN2+、AIN2－分別為兩路信號(hào)的輸入端；SDATA為串行數(shù)據(jù)的輸出/輸入端；
為A/D轉(zhuǎn)換完成端，低電平有效；RFS、TFS分別為輸入或輸出幀同步端；IOUT為400μA恒流源的輸出端，可用作RTD的激勵(lì)電流；REFOUT為參考電壓(2.5V)輸出端，REFIN－和REFIN+為外加參考電壓輸入端。AD7711A片內(nèi)的數(shù)字濾波器為Sinc3或(Sinx/x)3,第一陷波頻率由控制寄存器中的第12～23位的值決定，數(shù)字濾波器的3dB截止頻率為第一陷波頻率的0.262倍，并等于A/D的轉(zhuǎn)化速率。AD7711A的24位可讀寫(xiě)控制寄存器的功能說(shuō)明如表1。其中MSB為BIT0，LSB為BIT23。
3 AD7711A的應(yīng)用
3.1 高精度橡膠硫化溫控系統(tǒng)簡(jiǎn)介
橡膠的硫化是橡膠生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，整個(gè)硫化過(guò)程對(duì)溫度的要求很高，從室溫升高到設(shè)定溫度的超調(diào)量不超過(guò)±0.3°C,硫化溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度±0.3°C的范圍內(nèi)。當(dāng)加料等其它干擾引起的溫度變化時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定溫度的重建時(shí)間要求在45秒內(nèi)。本系統(tǒng)通過(guò)RTD測(cè)量硫化反應(yīng)室的溫度，通過(guò)PID調(diào)節(jié)器控制加熱裝置，從而達(dá)到對(duì)硫化溫度的精確控制。傳統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器沒(méi)法達(dá)到分辨率要求，因溫度信號(hào)屬于緩慢變化的信號(hào)，但AD7711A片內(nèi)集成的高穩(wěn)定性的RTD激勵(lì)恒流源使AD7711A成為理想的選擇。圖2為整個(gè)硫化溫控系統(tǒng)框圖。
3.2 AD7711A與單片機(jī)的接口
由于AD7711A的數(shù)據(jù)串行輸出格式和8751單片機(jī)的串行格式相反，所以本設(shè)計(jì)中不使用8751的串行口，而采用P1口直接和AD7711A相連。P1.0與A0相連來(lái)選擇寄存器，讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的時(shí)鐘信號(hào)由P1.2給出，串行數(shù)據(jù)由P1.3讀入或?qū)懗觯?IMG src="http://files.chinaaet.com/old/uploadfiles/jishu/jslw/20090429025930562.gif" border=0>和INT1相連，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完畢后用中斷方式激活數(shù)據(jù)讀取程序。溫度信號(hào)單端輸入，另一通道用于測(cè)攪拌器的扭矩，用電橋平衡法測(cè)量。具體連接見(jiàn)圖3。
3.3 AD7711A的讀寫(xiě)時(shí)序和單片機(jī)代碼
讀寫(xiě)數(shù)據(jù)、控制、校準(zhǔn)寄存器都通過(guò)SDATA數(shù)據(jù)線(xiàn)串行讀寫(xiě)。數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換完畢后置低，引起中斷，由A0選擇數(shù)據(jù)寄存器，RFS置低使讀取數(shù)據(jù)有效，每次SCLK上升沿時(shí)讀一位數(shù)據(jù)。讀寫(xiě)時(shí)序如圖4。
讀數(shù)據(jù)程序代碼：
RD： SETB A0；讀數(shù)據(jù)寄存器
SETB TFS；
CLR RFS；置0使數(shù)據(jù)有效
CLR SCLK；
MOV R1，#3；
RDD： MOV R2，#8；
RDDD： SETB SCLK；時(shí)鐘置高
MOV C，SDATA；讀1位
CLR SCLK；
RLC A；
DJNZ R2，RDDD；是否讀完1BYTE
MOV ＠R0，A；數(shù)據(jù)存入＠R0區(qū)
INC R0；
DJNZ R1，RDD；
寫(xiě)控制寄存器程序代碼：
WR： CLR A0；寫(xiě)控制寄存器
SETB RFS；
CLR TFS；使寫(xiě)入數(shù)據(jù)有效
CLR SCLK；
MOV R1，#3；
WRR： MOV R2，#8；
MOV A，＠R3；由＠R區(qū)讀數(shù)據(jù)
WRRR： RLC A；
MOV SDATA，C；
SETB SCLK；時(shí)鐘置高
CLR SCLK；
DJNZ R2，WRRR；是否寫(xiě)完1 BYTE
INC R3；
DJNZ R1；WRR；
3.4 PID調(diào)節(jié)器
PID控制結(jié)構(gòu)如圖5。Tr(k)、T(k)分別為反應(yīng)室溫度的設(shè)定值和測(cè)量值。誤差e(k)＝Tr(k)－T(k),u(k)為PID輸出的調(diào)節(jié)量。
本系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器采用離散PID算法：
將式(1)兩邊進(jìn)行Z變換，得PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)：
式中 e(k)——調(diào)節(jié)器輸入偏差
KP——對(duì)象放大倍數(shù)
KI——積分系數(shù)
KD——微分系數(shù)
系統(tǒng)的采樣周期取1.2秒，輸出u(k)為加熱器在1.2秒采樣時(shí)間內(nèi)的加熱器開(kāi)啟的時(shí)間，單位為毫秒。假設(shè)受控對(duì)象硫化室為一階慣性加純延遲環(huán)節(jié)，測(cè)出被控對(duì)象的臨界增益和臨界振蕩周期，用Ziegler_Nicholes法整定PID參數(shù)[2]，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)，求出符合實(shí)際的PID調(diào)節(jié)參數(shù)：
KP＝50，KI＝1，KD＝4000
在實(shí)際的PID調(diào)節(jié)中，由于每次采樣周期中U的輸出最大為1200ms，所以在PID調(diào)節(jié)控制中需要一些輸出限幅，以及對(duì)積分項(xiàng)的分離控制。
3.5 結(jié)果分析
溫度控制結(jié)果如圖6，設(shè)定的溫度為160°C,進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后波動(dòng)幅度不超過(guò)±0.3°C。從圖中看出溫度控制精度很高，圖中每一行格距離為0.1°C，t1時(shí)刻為加料的時(shí)間，擾動(dòng)較少，幅度小于1°C，穩(wěn)態(tài)重建時(shí)間＜45秒。并且系統(tǒng)的超調(diào)量很小，整個(gè)系統(tǒng)精度達(dá)到很高的要求。該硫化溫控系統(tǒng)由我校儀器系和上海化工機(jī)械四廠聯(lián)合開(kāi)發(fā)，經(jīng)濟(jì)效益良好。
參考文獻(xiàn)
1 Analog Device Inc.Specification for AD7711A.1995
2 邵惠鶴.工業(yè)過(guò)程高級(jí)控制.上海：上海交通大學(xué)出版社，1997
3 鐘 珂,陳 鍵.Δ－∑A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)及仿真.電子技術(shù)應(yīng)用，1997；23(7)