摘 要： AD7711A是基于Δ－∑技術的高分辨率24位A/D轉換芯片，在介紹了其特點和應用之后，給出了一種用AD7711A、單片機和PC構成的高精度橡膠硫化溫控系統，該系統的穩態誤差精度達±0.3°C。
關鍵詞： A/D轉換器 RTD Δ－∑
在工業生產過程控制中經常需要對某些控制變量進行精確測量，然后通過微型計算機計算出校正量進行控制。傳統的NYQUIST率ADC(如積分型、逐次比較型、閃爍型等)無法滿足精度要求，美國ANALOG DEVICE公司最近推出的低價、高分辨率A/D器件AD7711A采用了Δ－∑原理，可實現高達24位的分辨率。由于Δ－∑原理采用了過采樣、噪聲成行和數字抽取[3]等技術，可用較低的成本實現很高的分辨率，并且噪聲小、抗干擾能力強，因此特別適合于低頻率、高分辨率、寬動態范圍的A/D轉換。
1 AD7711A的主要特點
·高精度，24位無漏碼，輸出±0.0015%的非線性。
·采用Δ－∑轉換結構，成本低、噪聲小、抗干擾能力強。
·內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。
·內置可編程數字低通濾波器。
·內設自校準電路，有8種可選擇校準模式，并可直接讀寫自校準寄存器，有效地去除了零點漂移和增益誤差。
·低功耗(典型應用時為25mW)并有省電的待機模式。
·雙向串行接口，可方便地與微處理機和DSP芯片連接。
內置的可編程增益放大器使AD7711A能直接和傳感器相連。當參考電壓為2.5V，內置放大器增益從1變到128時，可接受的信號范圍由0～20mV變到0～2.5V(單端)。提供了RTD激勵恒流源，簡化了RTD測量溫度的電路設計。AD7711A片內的24位可讀寫控制寄存器使微處理機或DSP芯片能方便的控制數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模式。AD7711A的一般主時鐘頻率為10MHz，可用單或雙電源供電。A/D轉換速率和數字濾波器的第一陷波處的頻率相等(即可編程控制)。
2 AD7711A的內部結構
AD7711A的內部結構如圖1，它包括一個Δ－∑ADC、數字濾波器、可編程放大、時鐘發生器、24位控制/數據/校準寄存器、400μA恒流源。AD7711A的引腳中SCLK為串行時鐘輸入端；MCLKIN和MCLKOU為主時鐘頻率的連接端；A0為寄存器地址選擇，A0置低時選控制寄存器，置高時選數據或自校準寄存器；SYNC腳為數字濾波器復位端；MODE選擇數據傳輸的時鐘 方式(外時鐘或內時鐘)；AIN1+、AIN－、AIN2+、AIN2－分別為兩路信號的輸入端；SDATA為串行數據的輸出/輸入端；
為A/D轉換完成端，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片內的數字濾波器為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的轉化速率。AD7711A的24位可讀寫控制寄存器的功能說明如表1。其中MSB為BIT0，LSB為BIT23。
3 AD7711A的應用
3.1 高精度橡膠硫化溫控系統簡介
橡膠的硫化是橡膠生產中的關鍵環節，整個硫化過程對溫度的要求很高，從室溫升高到設定溫度的超調量不超過±0.3°C,硫化溫度穩定在設定溫度±0.3°C的范圍內。當加料等其它干擾引起的溫度變化時，系統穩定溫度的重建時間要求在45秒內。本系統通過RTD測量硫化反應室的溫度，通過PID調節器控制加熱裝置，從而達到對硫化溫度的精確控制。傳統的A/D轉換器沒法達到分辨率要求，因溫度信號屬于緩慢變化的信號，但AD7711A片內集成的高穩定性的RTD激勵恒流源使AD7711A成為理想的選擇。圖2為整個硫化溫控系統框圖。
3.2 AD7711A與單片機的接口
由于AD7711A的數據串行輸出格式和8751單片機的串行格式相反，所以本設計中不使用8751的串行口，而采用P1口直接和AD7711A相連。P1.0與A0相連來選擇寄存器，讀寫數據的時鐘信號由P1.2給出，串行數據由P1.3讀入或寫出，和INT1相連，數據轉換完畢后用中斷方式激活數據讀取程序。溫度信號單端輸入，另一通道用于測攪拌器的扭矩，用電橋平衡法測量。具體連接見圖3。
3.3 AD7711A的讀寫時序和單片機代碼
讀寫數據、控制、校準寄存器都通過SDATA數據線串行讀寫。數據A/D轉換完畢后置低，引起中斷，由A0選擇數據寄存器，RFS置低使讀取數據有效，每次SCLK上升沿時讀一位數據。讀寫時序如圖4。
讀數據程序代碼：
RD： SETB A0；讀數據寄存器
SETB TFS；
CLR RFS；置0使數據有效
CLR SCLK；
MOV R1，#3；
RDD： MOV R2，#8；
RDDD： SETB SCLK；時鐘置高
MOV C，SDATA；讀1位
CLR SCLK；
RLC A；
DJNZ R2，RDDD；是否讀完1BYTE
MOV ＠R0，A；數據存入＠R0區
INC R0；
DJNZ R1，RDD；
寫控制寄存器程序代碼：
WR： CLR A0；寫控制寄存器
SETB RFS；
CLR TFS；使寫入數據有效
CLR SCLK；
MOV R1，#3；
WRR： MOV R2，#8；
MOV A，＠R3；由＠R區讀數據
WRRR： RLC A；
MOV SDATA，C；
SETB SCLK；時鐘置高
CLR SCLK；
DJNZ R2，WRRR；是否寫完1 BYTE
INC R3；
DJNZ R1；WRR；
3.4 PID調節器
PID控制結構如圖5。Tr(k)、T(k)分別為反應室溫度的設定值和測量值。誤差e(k)＝Tr(k)－T(k),u(k)為PID輸出的調節量。
本系統的PID調節器采用離散PID算法：
將式(1)兩邊進行Z變換，得PID調節器的傳遞函數：
式中 e(k)——調節器輸入偏差
KP——對象放大倍數
KI——積分系數
KD——微分系數
系統的采樣周期取1.2秒，輸出u(k)為加熱器在1.2秒采樣時間內的加熱器開啟的時間，單位為毫秒。假設受控對象硫化室為一階慣性加純延遲環節，測出被控對象的臨界增益和臨界振蕩周期，用Ziegler_Nicholes法整定PID參數[2]，然后根據實驗調節，求出符合實際的PID調節參數：
KP＝50，KI＝1，KD＝4000
在實際的PID調節中，由于每次采樣周期中U的輸出最大為1200ms，所以在PID調節控制中需要一些輸出限幅，以及對積分項的分離控制。
3.5 結果分析
溫度控制結果如圖6，設定的溫度為160°C,進入穩態后波動幅度不超過±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時刻為加料的時間，擾動較少，幅度小于1°C，穩態重建時間＜45秒。并且系統的超調量很小，整個系統精度達到很高的要求。該硫化溫控系統由我校儀器系和上海化工機械四廠聯合開發，經濟效益良好。
參考文獻
1 Analog Device Inc.Specification for AD7711A.1995
2 邵惠鶴.工業過程高級控制.上海：上海交通大學出版社，1997
3 鐘 珂,陳 鍵.Δ－∑A/D轉換技術及仿真.電子技術應用，1997；23(7)