使用新型单芯片A/D转换器实现测量系统设计

测量系统的设计人员，如温度补偿电子秤和RTD仪器，可以通过新的单芯片A / D转换器/模拟前端更有效地完成任务。 AD7719具有sigma-delta转换器固有的高分辨率;对于增强的吞吐量，它包含两个ADC（24位和16位分辨率），允许同时并行转换两个输入变量，而没有模拟多路复用方案中固有的延迟。它采用信号斩波方法，提供稳定增益和最小偏移的信号调理，并配有内置校准功能，无需现场校准。它方便地包括一对匹配的电流源，以便在使用电阻传感器时简化传感器激励并提高测量精度。其他有用的功能包括可以关闭的电路和可以在不使用转换器或传感器电源时用于节省电力的低侧开关，以及用于监视和控制外部设备的数字I / O端口。

AD7719是用于低频测量应用的完整模拟前端，是ADI公司高分辨率，低带宽，Σ-Δ转换器系列的最新成员。它建立在从称重秤到便携式仪表，压力，温度和传感器测量，智能变送器，液/气相色谱和工业过程控制等应用中使用前几代Σ-Δ转换器所获得的经验的基础上。上述增强功能（见图1）解决了在设计此类高性能数据采集系统时经常出现的许多问题。

AD7719包含两个独立的高分辨率Σ-ΔADC。每个模数转换由具有可编程sinc 3 滤波器的二阶sigma-delta调制器完成。此外，它还提供可切换匹配的200μA激励电流源，低端电源开关，数字I / O端口和温度传感器。 24位主通道具有可编程增益放大器（PGA），增益范围为1至128，可接受全差分，单极和双极输入信号，范围高达1.024×REFIN1伏。参考输入是差分输入，可以提供比率转换。主模拟输入通道可以内部缓冲，以提供非常高的输入阻抗;这允许输入信号直接从换能器施加，而无需外部信号调节。 16位辅助通道无缓冲，输入信号范围为REFIN2或半个REFIN2。

该器件采用32,768 Hz（32K）晶振工作，板载PLL可产生所有必需的内部工作频率。 AD7719的输出数据速率是软件可编程的。这允许将数字滤波器凹口放置在用户定义的频率上。例如，编程更新速率为19.8 Hz，可以同时实现50和60 Hz的抑制陷波。

峰峰值分辨率取决于编程增益和输出数据速率。该器件采用+ 3 V或+ 5 V单电源供电。采用+ 3 V电源供电时，两个ADC连续使用时功耗为4.5 mW。通过在适当时禁用一个或两个ADC，可以减少耗散。 AD7719采用节省空间的28引脚SOIC和TSSOP封装。

信号处理链

ADC采用sigma-delta转换实现高达24位的无噪声-missing-codes性能。 Σ-Δ调制器将采样的输入信号转换为数字脉冲序列，其占空比包含数字信息。然后，Sinc 3 可编程低通滤波器抽取调制器输出数据流，以5.35 Hz（186.77 ms周期）至105.03 Hz（9.52 ms）的可编程输出速率提供有效的数据转换结果。采用斩波方案来最小化ADC通道偏移，增益和漂移误差。主ADC输入通道的框图如图2所示。辅助ADC的信号链类似于图2，但省略了缓冲区和PGA模块。

调制器环路的采样频率比输入信号的带宽（过采样）高许多倍。调制器中的积分器对量化噪声（由模数转换产生）进行整形，使噪声集中在调制器频率的一半附近。 Σ-Δ调制器的输出直接馈入数字滤波器，该滤波器将响应限制到显着低于调制器频率一半的频率。以这种方式，比较器的1位输出转换为ADC的带限低噪声输出。滤波器的截止频率和抽取的输出数据速率可通过加载到滤波器寄存器的sinc滤波器（SF）控制字进行编程。

输入斩波产生的交替数字输出值在最终中求和求和阶段以平均直流偏移和低频噪声。滤波器的每个输出字被求和并与前一个滤波器输出求平均，以产生一个新的有效输出结果，写入ADC数据寄存器。由此产生的极低直流偏移和偏移和增益漂移规范在漂移，噪声抑制和最佳EMI抑制非常重要的应用中非常有用。

除了降低量化噪声外，数字滤波器还可以对于相应的滤波器控制字设置82和68，在50和60 Hz（±1 Hz）下提供100 dB的正常模式抑制。对于要求在50和60 Hz下都有大量抑制的应用，滤波器在默认编程设置下的响应69（数据更新率为19.8 Hz）的频率接近两个频率，60 Hz时抑制> 100 dB，50 Hz时> 60 dB，如图3所示。

典型应用

AD7719提供完整的模拟前端，可使用温度，压力和其他传感器实现低频测量。例如，在称重应用中，除桥接传感器的主要变量外，可能还需要监测次级变量（如温度），以补偿桥梁属性随温度的变化。

传统的sigma delta ADC在前端使用带有集成多路复用器的单个转换器来测量多个输入变量。这意味着最终用户必须切换前端的通道来测量次级变量;因此，当切换输入源时，测量速度受到与数字滤波器相关的稳定时间和等待时间的影响。在sigma delta ADC使用二阶调制器和三阶数字滤波器的系统中，步进输入的输出建立时间是数据速率的三倍，以便完全刷新与之前相关的所有数据的数字滤波器。渠道。这可以大大降低这些应用中可实现的系统吞吐量。

AD7719通过并入两个独立的ADC通道来克服这一问题。主要变量和次要变量同时转换，并且两个测量的输出数据可并行获得，从而避免了与多路复用数据采集系统相关的延迟。此外，片上电流源可用于激励温度传感器，如热敏电阻或RTD，用于温度监测。

低功率电池供电称重系统中第二个常见问题是在待机模式下前端传感器不必要的电力消耗。 AD7719的片上低侧电源开关可以通过在低功耗模式下断开传感器的电源来解决这个问题，从而大幅节省功耗。

称重应用的另一个问题涉及校准：它应该多久发生一次？由于AD7719经过工厂校准，信号链在其实现中采用斩波方案，因此增益和失调漂移降至最低，从而无需在现场进行校准。当AD7719用于称重应用时，这是一个关键的性能优势（图4）。

在图4的电路中，主通道监控桥式传感器，次级通道监控温度热敏电阻的意思。桥式传感器的差分输出端子（OUT +和OUT-）连接到差分输入端子AIN1和AIN2。当使用5 V激励源激励时，灵敏度为3 mV / V的典型电桥将产生15 mV的额定满量程输出。电桥的激励电压可用于通过合适的电阻分压器直接为ADC提供参考电压，以便利用输入的全动态范围。由于该实施方式是完全比例的，因此激励电压的变化不会在系统中引入误差。如图所示，电阻值的选择，20kΩ和12kΩ，当激励电压为5 V时，为AD7719提供1.875 V基准电压。主通道编程增益为128，满量程15 mV输入范围对应于传感器的全输出范围。称重应用的关键要求是尽可能地抑制交流电源频率分量（50 Hz和60 Hz）。通过对AD7719进行编程，可以获得同时50 Hz和60 Hz的抑制，输出数据速率为19.8 Hz。 AD7719配置增益为128，更新速率为19.8 Hz，可实现13位峰峰值分辨率。通过降低更新速率或在控制器中执行额外的数字滤波，可以提高峰峰值分辨率。

使用热敏电阻和AD7719的辅助通道测量温度。由半导体材料形成的热敏电阻，高温系数电路元件可具有负温度系数或正温度系数（NTC或PTC）。 NTC热敏电阻的作用类似于电阻器，其温度系数通常为-3％至-5％/°C。在许多应用中，热敏电阻具有高稳定性，高精度，小尺寸和兼容性的优点，并且具有竞争力的价格。它们响应速度快，是最灵敏的温度传感器之一。图4电路的工作温度范围由热敏电阻的选择决定。使用Betatherm的1K7A1热敏电阻，标称电阻为1kΩ，温度为25°C，采用200μA激励电流源，工作温度范围为-26°C至+ 70°C。

在此应用中，激励热敏电阻的相同200μA电流源也会为AD7719产生参考电压。结果，激励电流的变化不会影响性能，并且配置提供完全的比例转换。这些应用中最常见的布线布置是4线力/感应配置，以减少引线电阻对系统性能的影响。尽管驱动线的引线电阻会改变共模电压，但它不会降低电路的性能。感应线的引线电阻并不重要，因为AD7719模拟输入的高输入阻抗导致这些线中没有电流流过。但是，参考设置电阻必须具有低温度系数，以避免温度变化时参考电压出错。在AD7719上配置辅助通道，可获得19.8Hz的更新速率，可获得16位峰峰值性能。

另一个充分利用AD7719上匹配电流源的应用3线RTD用于精密温度测量，如图5所示*在三线配置中，如果使用单个电流源，引线电阻会导致误差，如200-μA激励电流，流过RL1和RL3会在RL1上产生电压降，这会增加RTD电压并导致AIN1和AIN2之间出现误差。

然而，在图5所示的方案中，第二电流源用于通过提供相等且相反的补偿电流IOUT2至RL2来消除该误差，RL2在相反方向上产生相等的电压降。该电流增加到IOUT1并通过R3和任何共模电阻无害地流到地，产生共模电压，被差分输入抑制。

该分析假设RL1并且RL2是相等的，因为引线通常具有相同的材料并且具有相等的长度，并且由电流之和产生的共模电压在ADC的共模范围内。来自IOUT1的电流还用于为AD7719产生一个参考电压，跨越12.5kΩ电阻，如图所示，并应用于AD7719的差分参考输入。该方案确保模拟输入电压范围保持与参考电压成比例。由于RTD电流源的温度漂移，模拟输入电压的任何误差都可以通过参考电压的变化来补偿。两个RTD电流源通常匹配优于1％。任一电流源的电压兼容性为AV DD - 0.6 V。