高精度A/D在測磁設(shè)備中的應(yīng)用

1 AD676的結(jié)構(gòu)特點

在對艦船磁場的測量過程中，由于艦船的運動姿態(tài)不斷變化，使艦船磁場投影到各分量的強度也不斷變化。為實現(xiàn)對艦船磁場的動態(tài)測量，因此，磁場測量必須快速而準確。選用87C51單片機擴展內(nèi)置微控制器的高速16位A/D轉(zhuǎn)換器AD676能很好地滿足這一要求。

AD676的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。由兩個單片部分組成，即數(shù)字控制單片和模擬ADC單片。數(shù)字控制單片是用DXPCMOS工藝制造，而模擬ADC單片是用BIMOSⅡ工藝制造的。該器件是使用逐次逼近技術(shù)來實現(xiàn)Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換的，但內(nèi)部沒有傳統(tǒng)的電阻梯網(wǎng)絡(luò)，取而代之的是電容陣列。AD676是采用帶二進制權(quán)值的電容器將輸入的采樣信號進行分配以實現(xiàn)模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換的。采用電容陣列帶來了三方面的好處：

　　(1)．達到了100KSPS的高速轉(zhuǎn)換率(總的轉(zhuǎn)換時間為10μS)；

　　(2)．消除了傳統(tǒng)的電阻網(wǎng)絡(luò)因電阻值隨溫度變化所引起的誤差；

　　(3)．在不需增加外部電路的情況下，電容陣列實現(xiàn)了采樣保持功能。

但是，電容陣列具有初始誤差，內(nèi)部微程序控制器是專為消除電容陣列的初始誤差而

設(shè)計的。微程序控制器通過DAC來檢測電容陣列的匹配誤差，并把所檢測到的誤差存放在內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器RAM中，在初始采集數(shù)據(jù)之前，要使AD676進行一次自動校準，在以后的轉(zhuǎn)換中，微程序控制器便使用RAM中的值來校準轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量而改善轉(zhuǎn)換精度。因此，AD676不需用戶校準或調(diào)整，能自動保持器件的高性能。

AD676內(nèi)部的所有功能，包括實際的逐次逼近算法、自動校準、采樣保持操作、內(nèi)部數(shù)據(jù)的輸出鎖存都是在微程序控制下進行的。應(yīng)用中，不需用戶增加額外的硬件和軟件開銷，給用戶帶來了很大的方便。

2 AD676的主要性能

　　(1)．16位無丟失碼

　　(2)．轉(zhuǎn)換速率100KSPS(總的轉(zhuǎn)換時間為10μS)

　　(3)．自動非線性校準

　　(4)．積分非線性誤差(1NL)士1LSB

　　(5)．總的諧波失真(THD)0．002％

　　(6)．片內(nèi)具有采樣—保持功能

　　(7)．滿功率帶寬1MHz．

　　(8)．輸入模擬信號范圍士Vref

　　(9)．供電范圍：Vdd = +5V士10％

　　Vcc = +12V士5％

　　Vee = -12V士5％

　　AD676采用28引腳DIP封裝和28引腳邊銅焊陶瓷封裝，封裝引腳見圖2。

3 AD676的時序

(1)．校準時序

AD676通過片內(nèi)自動校準過程不需用戶校對和調(diào)整便能達到規(guī)定的性能。校準過程只需在初始采集數(shù)據(jù)前進行一次即可，校準時序見圖3。

當給CAL加高電平時，AD676內(nèi)部復(fù)位，BUSY輸出高電平，表明AD676已作好校準的準備。當給CAL加低電平時，校準過程開始，校準時間為85530個時鐘周期，完成校準的標志為BUSY變?yōu)榈碗娖健Ｔ诖蠖鄶?shù)應(yīng)用場合下，僅在上電時有充分的時間對AD676進行校準，所以要特別注意，應(yīng)等到電源和電壓基準穩(wěn)定以后才能開始進行校準。

(2)．一般的轉(zhuǎn)換時序　

轉(zhuǎn)換由輸入信號采集過程和16位內(nèi)部逐次逼近過程組成。

輸入信號采集過程：將SAMPLE線保持高電平狀態(tài)，保持時間ts≥2μS，再將SAMPLE線變?yōu)榈碗娖剑琒AMPLE下降沿所對應(yīng)的輸入電壓值Vin即為實際采樣值。SAMPLE為低電平后，輸入Vin與內(nèi)部電容陣列斷開，輸入信號采樣過程結(jié)束。值得注意的是采樣期間AD676忽略掉輸入的時鐘脈沖，應(yīng)用中為防止輸入時鐘脈沖對輸入信號干擾，采樣期間最好切斷時鐘脈沖的輸入。

16位逐次逼近轉(zhuǎn)換過程：在SAMPLE線變?yōu)榈碗娖絫sc時間后(tsc≥50nS)的17個時鐘脈沖內(nèi)，AD676完成16位逐次逼近轉(zhuǎn)換過程，轉(zhuǎn)換期間BUSY變?yōu)楦唠娖剑D(zhuǎn)換結(jié)束BUSY變?yōu)榈碗娖?。當BUSY變?yōu)榈碗娖胶螅瑪?shù)據(jù)被輸出到BITl―BITl6引腳上，并一直保持到下一次轉(zhuǎn)換開始。因此，在BUSY變?yōu)榈碗娖胶蟮较乱淮无D(zhuǎn)換開始前的任何時刻都可以讀出本次轉(zhuǎn)換的結(jié)果數(shù)據(jù)。

4　AD676在測磁設(shè)備中的應(yīng)用

已成功地將AD676應(yīng)用于艦船磁場高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，這里介紹該系統(tǒng)中AD676與87C51單片微機的接口電路，接口電路如圖5所示。圖中將信號處理部分電路、電源處理部分電路及外圍電路等省去，旨在著重說明AD676的使用方法。

87C51單片微機內(nèi)帶4K字節(jié)的程序存儲器EPROM。當不需進行外部程序存儲器擴展和數(shù)據(jù)存儲器擴展時，87C51的4個8位并行口P0、P1、P2、P3全歸用戶使用。因此用87C51與AD676接口，可設(shè)計出體積小、耗電省的艦船磁場高速高精度數(shù)據(jù)采集設(shè)備。也適用于對體積、功耗、速度和精度要求都很苛刻的場合。如油井探測、地震數(shù)據(jù)采集、貴重物重量測量及其它高精度測量儀器。

AD676的輸出不具備三態(tài)功能，但其輸出邏輯與CMOS和TTL兼容。因此可直接把AD676的BIT1―BIT16與87C51的P0口和P2口相接。若將AD676與8031接口，則應(yīng)擴展兩個8位的輸入口，再將AD676的BIT1―BIT16經(jīng)輸入接口引到8031的數(shù)據(jù)總線（P0口）上。校準控制CAL和轉(zhuǎn)換控制SAMPLE可接到P1或P3口的任一位上。例如由P3.0控制校準CAL，由P3.1控制轉(zhuǎn)換SAMPLE，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號BUSY接外部中斷INT0。BUSY還控制時鐘脈沖信號的輸入，如5圖所示，當BUSY為低電平時，計數(shù)器74LS90將停止工作。圖中AD587提供10V的電壓基準。若采用5V的電壓基準，只要用AD586替代AD587即可。

由以上分析，不難編寫出AD676校準程序和數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換程序。校準程序段如下：

　　CLR P3.1；將SAMPLE保持低電平

　　SETB P3.0；作校準準備

　　CLR P3.0；開始校準

　　JB P3.2，$ ；等待校準

　　數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換過程可采用查詢方式或中斷方式編寫，采用查詢方式編寫的程序段如下：

　　SETB P3.1；接通Vin給電容陣列充電

　　NOP

　　NOP；等待2μs

　　CLR P3.1；啟動轉(zhuǎn)換

　　JB P3.2，$；等待轉(zhuǎn)換

　　MOV @R0，P2；存放高8位數(shù)據(jù)

　　INC R0

　　MOV @R0，P0；存放低8位數(shù)據(jù)

　　…

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的AD676應(yīng)用方法能充分發(fā)揮其內(nèi)部的各項功能。如利用內(nèi)部電容陣列在不外接采樣保持器的情況下便能對艦船磁場進行動態(tài)測量、利用內(nèi)置的微控制器在測量前進行校驗便能獲得很好的線性度。利用其所具有的高分辨率能獲得很高的測量精度。AD676的應(yīng)用簡化了電路設(shè)計，降低了制作成本，并有效地提高了艦船磁場測量系統(tǒng)的性能。