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AD7793在高精度温控设备中的应用

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0 引言

温度控制技术已成为工业、农业、科学研究、航空航天和人们生活等各活动中很重要的一个环节,特别是在科学研究、航空航天、生物医药、精密仪器等领域对温度控制精度的要求极高,有时是极其苛刻的。高精度温控仪基于PT1000、MCU 、AD7793和OPA548作为核心芯片,具有精度高、结构简单、体积小、稳定性好, 成本低廉的特点。本文介绍了AD7793芯片的特点、工作原理和在我们研制的高精度温控设备中的应用。

1 AD7793芯片的特点

AD7793的内部框图如图1所示,具有以下特点。1)转换精度高, 24 位数据输出;2)芯片集成度高,它内置24位Σ-Δ调制器、缓冲器、基准电压源、恒流源、仪表放大器和片内数字滤波器;3)3个差分模拟输入通道,可以被配置为缓冲模式或无缓冲模式;4)接口电路要求低,可以直接接收来自应变器或传感器的模拟量输入。5)分辨率高、噪声很低,因此对于前端的抗混叠滤波器的要求也大大降低,一个简单的RC 低通滤波器就足够了;6)该芯片具有自校准、系统校准功能,可以消除零点误差、满量程误差及温度漂移的影响。7)三线式SPI 接口,通过MCU 灵活控制和配置AD7793片内寄存器,实现对AD7793芯片的控制。

2 AD7793芯片的工作原理

AD7793采用Σ-Δ调制技术,与双积分式的ADC 比较,有很高的分辨率和精度。在工作时,

AD7793在高精度温控设备中的应用

董 鸣(上海大学)

摘 要:文章介绍了Σ-Δ型 ADC 转换器AD7793的特点、工作原理和应用,其中包括ADC 的接口电路设计、PCB 设计以及MCU 通过SPI 接口对AD7793进行初始化配置等,同时给出了温控设备的实测结果。

关键词:ADC ;AD7793;MCU ;SPI ;高精度温控

Application of AD7793 in High Precision Temperature Control Equipment

Dong Ming

(Shanghai University)

Abstract: This paper introduces the characteristics, working principle and application of Σ-Δ ADC converter, AD7793, including the interface circuit design of the ADC, PCB design, and the initialization of AD7793 with MCU and the SPI interface. The measured results of the temperature control equipment are given.

Key words: ADC; AD7793; MCU; SPI; high precision temperature control AD7793以一定的速率对模拟输入信号连续采样,采样速率受系统时钟的控制。采样信号经BUF 、PGA 放大,使其输出电平满足电荷平衡ADC 的要求,然后转换成数字脉冲序列,该序列经数字滤波器处理后,以确定的速率更新数据寄存器中的数据。数字滤波器的主要作用是抑制串模干扰,不同的更新速率下,AD7793所选择的数字滤波器也略有不同。数据寄存器中的数据可以从SPI 接口随机读出。

3 AD7793芯片的应用

AD7793的接口电路如图2所示。根据系统的测量精度和控制精度要求,选择了RTD 传感器PT1000作为测温传感器。PT1000具有良好的长期稳定性、线性度好、响应时间快,测试电流在允许值范围内,自热系数小,满足系统的技术要求。PT1000传感器对温度的变化输出一般是微伏级的微弱信号,但AD7793具有完整的模拟前端功能,内部集成了低噪声仪表放大器,且可以设置增益,因而可以直接输

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入测量传感器输出的微弱信号,输入信号通过低通

图1 AD7793内部结构框图

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滤波后进入AD7793的A/D 输入端。

RTD 传感器PT1000电阻接线主要有三种方式:二线制、三线制和四线制。它们的主要区别在于,由于引线电阻的存在,则不同的测温方式得到的测量精度不同,应视使用场合的要求高低而定。二线制精度较低,无法消除线路电阻的影响,环境温度的变化对其影响很大,近距离可以使用;三线制是工业应用中的主流,多一根线主要消除导线电阻的影响,采用惠斯顿平衡电桥,适合远距离传输。四线制应用较少,但精度高,能补偿由导线引起的误差,在高精度测量中广泛应用。在本设备中采用四线制测温的方式,可以完全消除引线电阻所引起的误差,满足高精度测量的要求。

对于AD7793的Σ-ΔADC 来讲,参考源的选择必须满足低噪声、温漂小的要求。虽然已经内置了电压参考源,无需外接参考源,但为了满足高精度测量的要求,使用了高精度标准参考电阻(0.2ppm ),采用比例测量法,应用这种方法,激励源中的噪声会被抵消掉。

4 AD7793芯片在使用中应注意的问题4.1 PCB 布局

Σ-Δ型ADC 具有非常高的分辨率以及极低的噪声,因此PCB 的布局布线对于实现ADC 的高性能有非常大的影响。在PCB 的布线中需要注意以下方面:

(1)电源:如果可能,尽量使用单独的模拟电源和单独的数字电源。而且模拟部分的电源要使用线性电源。如果使用单电源给AVDD 和DVDD 供电,AVDD 和DVDD 之间应用磁珠进行隔离。在所有的AVDD 的管脚要用0.1μF 和10μF 进行去耦到模拟地上,所有数字电源管脚要用0.1μF 进行去耦,接到数字地上。电源线在PCB 上要走尽量宽的线。

(2)地:系统要分为模拟地和数字地两部分,模拟地和数字地都要是大面积的地平面。ADC 芯片本身模拟管脚与数字管脚都物理上分隔开了,因此ADC 可以跨在模拟地平面和数字地平面的中间,ADC 的AGND 管脚要接到系统模拟地,ADC 的DGND 管脚要接到系统数字地。模拟地和数字地最终在ADC 的附近进行一点相接,这样更能有效降低

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接地阻抗和噪声系数。

图2 AD7793前端处理电路

(3)信号:模拟输入信号线线条要宽、采用最短路径靠近AD7793模拟输入端口。信号的模拟部分和数字部分要分开,模拟信号线和数字信号线也要分开,模拟信号线和数字信号线不要穿插,在芯片下面避免走数字信号。

4.2 软件配置

MCU 通过SPI 接口对AD7793进行初始化配置,顺序如下:

(1)复位:由于上电期间的任何毛刺电压可能会破坏寄存器,因此建议在初始化程序中执行复位,即将32个1写入AD7793进行复位。复位后,SPI 串行接口、片内寄存器都进入到默认状况,便可针对应用配置器件。

(2)配置:复位后即可对片内寄存器进行配置。首先写模式寄存器,设置工作模式、输出数据速率和时钟源;然后写配置寄存器,设置极性、增益、基准源、缓冲和通道;最后写IO 寄存器,设置电流源和大小。

(3)校准:配置后,便可以启动校准程序,进行内部校准和系统校准。在校准时,对失调寄存器和满量程寄存器写操作时,AD7793必须处于空闲或省电模式。

5 温控实测结果

当设置的温度发生变化时,温控仪能通过AD7793根据得到当前实时温度,计算出误差信号,利用PID (比例-积分-微分)计算出合适的控制量,通过PWM技术控制功率放大器,对系统进行控制,获得满意的预期温控目标。在我们研制的高精度温控设备中,温度设置值与温度实际对比结果如表1所示,温控范围要求在40~55℃之间。

表1 实测结果

6 结束语

在我们的研究过程中,得到如下经验:通过内部校准和系统校准可消除零点误差、满量程误差及温度漂移的影响;四线制恒流源驱动Pt1000铂电阻,有效克服了导线电阻和自热效应对测量精度的影响;采用PID 、PWM 技术大大提高了温控精度和稳定度,使得整机的温控误差优于0.1℃。

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(下接30页)

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时,采用Text 模式,PUD 模式不仅支持中文模式,也能发送英文短信。

表1 AT 指令表

4 系统设置和控制

本系统是在可靠与成熟的GSM 移动网络基础上建立的,并充分利用GSM 移动网络的资源,采用中文短信息形式,直接把多个报警地点的情况显示在用户的手机屏幕上,从而实现迅速、准确报警,实时性强。并尽量减少用户场所终端的投入。在用户终端要对使用的GSM 服务网、短消息特服号码、用户手机号码、警情采集模块种类和个数等进行相应的设置。

5 结语

本文的主要创新点在于此防盗系统集GSM 与GPS 于一体,利用GSM 手机模块的移动通信技术,与当今流行的GPS 技术相结合,配合单片机控制技术,采用最直观的中文短消息形式,能够直接把多个报警地点的情况反映到手机上,完成了汽车防盗定位系统的设计,实现了车辆远程监控的智能化、安全化。根据车辆智能防盗的具体要求,本系统还可以进行软、硬件的升级。由于模块间采用无线网络技术,增加了本系统的隐秘性,降低了系统被彻底破坏的可能性。进一步改进后,能与手机定位系统软件相结合,方便用户使用,而且适合批量生产以及推广应用。

致谢:在实验及论文写作过程中,黄爱银同学和李帅同学也做了大量的工作,在此表示感谢!

参考文献:

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AD7793在高精度温控设备中的应用

的汽车防盗系

统设计[J].单片机与嵌入式系统,2007(8):39-41.[5] 池保忠.基于单片机的汽车防盗报警系统设计[J]. 科教文汇,2006(4).

作者简介:

代凌云,(1979-),女,曲阜师范大学信息技术与传播学院讲师,研究方向:信号处理

电话:137********

电子信箱:dailingyun_1@http://www.wendangku.net/doc/48a1792977232f60dccca144.html

联系地址:山东省日照市烟台路曲阜师范大学信息技术与传播学院

(上接32页)

参考文献:

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[5] 王瑞阳,高梅娟.基于ADS1216的多路温度采集 系统[J].机电工程,2004,21(5):38-40.作者简介:

董鸣(1970-),男,上海,上海大学,工程师,主要从事于通信与电子技术。

手机:136********

电子信箱:dm12345678@http://www.wendangku.net/doc/48a1792977232f60dccca144.html

联系地址:上海市嘉定区城中路39号(201800)