∑-△模数转换器的原理及应用

∑-△模数转换器的原理及应用

张中平

（东南大学微电子机械系统教育部重点实验室，南京210096）

摘要：∑-△模数转换器由于造价低、精度高、性能稳定及使用方便等特点，越来越广泛地使用在一些高精度仪器仪表和测量设备中，介绍该转换器的基本原理，并重点举例介绍AD7708芯片的应用，该芯片是16 bit模数转换器，与24 bit AD7718引脚相同，可直接升级。

关键词：模数转换器；寄存器；串行口

我们通常使用的模数转换器（ADC）大多为积分型和逐次逼近型，积分型转换效果不够好，转换过程中带来的误差比较大；逐次逼近型转换效果较好但制作成本较高，尤其是高位数转换，转换位数越多，精度越高，制作成本就越高。而∑-△ADC可以以相对逐次逼近型简单的电路结构，而得到低成本，高位数及高精度的转换效果∑-△ADC大多设计为16或24 bit转换精度。近几年来，在相关的高精度仪器制作领域该转换器得到了越来越广泛的应用［1］。

1 ∑-△ADC的基本工作原理简介

∑-△模数转换器的工作原理简单的讲，就是将模数转换过后的数字量再做一次窄带低通滤波处理。当模拟量进入转换器后，先在调制器中做求积处理，并将模拟量转为数字量，在这个过程中会产生一定的量化噪声，这种噪声将影响到输出结果，因此，采用将转换过的数字量以较低的频率一位一位地传送到输出端，同时在这之间加一级低通滤波器的方法，就可将量化噪声过滤掉，从而得到一组精确的数字量［1，2］。

2 AD7708/AD7718，∑-△ADC的应用

AD7708/AD7718是美国ADI公司若干种∑ΔADC中的一种。其中AD7708为16 bit转换精度，AD7718为24 bit转换精度，同为28条引脚，而且相同引脚功能相同，可以互换。为方便起见，下面只介绍其中一种，也是我们工作中用过的AD7708。

2．1AD7708的工作原理

同其它智能化器件一样，AD7708也可以用软件来调节其所具有的功能，即通过微控制器MCU编程向AD7708的相应寄存器填写适当的参数。AD7708芯片中共有11个寄存器，

当模式寄存器（Mode Regis－ter）的最高位后，其工作方框图［2］如图1所示。

此时，输出率可变化范围为5．35 Hz至105．03Hz，可以从中选择一个频率从而得到最佳的滤波效果。断续频率f CHOP也随之而定，为输出率（f ADC）的二分之一。在MUX方框中模拟输入与f CHOP混合，并将信号送入缓冲器BUF，在缓冲器中有一级RC低通滤波，过滤掉输入信号中的噪声信号，下一级PGA的功能是可编程调整信号增益，一个经过调整合适的输入信号才被送进∑-△调制器（MOD0）中进行求积，并转换为数字量，在∑-△MODO中，对输入信号的采样频率为外部晶振频率32．768 kHz，在对模拟信号进行量化处理的过程中会形成量化噪声，这个噪声会影响到输出的数字量，因此必须再次对转换过的数字量进行低通数字过滤，确保输出值准确无误，这里AD7708采用了Sinc3或（sinx／x）3滤波器，它的主要作用就是消除由调制器产生的量化噪声，其中SF参数可根据所要滤掉的噪声频率大小用软件设定，默认值为69（45H），该值对50～60Hz的噪声有较好的抑制作用。

当时，断续功能中止，与f CHOP相关的功能块也相应取消，此时流程图［2］如

图2所示。输出频率变化范围可从16．06 Hz到1365．33 Hz，环节减少输出速度可以加快，但在输入增益或温度改变时，可能会出现漂移，此时需要做些校验。

2．2AD7708概况

AD7708的硬件引脚［2］如图3所示。28条引脚中有10个模拟输入端（AIN1～AIN10），这十个输入端可与AINCOM公共端连用（共地），最大可输入10个单端模拟量，也可每两两连用，形成5对差分输入端。20至24脚则用于串行输出，其中SCLK是串行时钟，CS 为片选，RDY为输出数据是否准备好状态标志，DOUT为串行输出端，DIN为寄存器指令输入端，每条寄存器指令为8 bit。

AD7708共有11个可编程寄存器［2］，如图4所示。其中通讯寄存器（COMMUNICATIONSREGIS－TER）为只写寄存器，它只告诉AD7708下一步要对哪个寄存器进行读还是写的操作，但这个寄存器是每次操作前必用的。其余10个寄存器都是用于对芯片的调节或反映相关状态。其实，如果输入电压的最大幅度与参考端（REFIN（－）／（＋））提供的电压相一致，同时外部噪声不是很复杂时，这10个寄存器中只有两个是最常用的，一个是模式寄存器（MODE REGIST），另一个是模数转换控制寄存器（ADCCONTROLREGIST）。其余寄存器可用其默认值。

2．3 AD7708的应用控制软件

2．3．1硬件准备

AD7708的使用要与一个微控制器（MCU）相连接，连接的方式有两种：一种是直接与8XC51系列微控制器的串行口相接［2］，其连接方式如图5所示，把AD7708的输入（DIN）和输出（DOUT）端连接在一起，接上10kΩ的上拉电阻，再与串口的信号端相连，时钟端（SCLK）与串口脉冲端相连。软件上要将串口设成方

式0，只要用通常的串口收发指令RDY就可通讯了。用这种方式通讯软件

编写方便可靠，但由于8XC51系列的串口收发数据时是最低位在前，而AD7708则是最高位在前，因此该系列微控制器在发指令前和收到数据后，都需要将字节的位序颠倒一次，这样获得的数据才是正确的。第二种连接方式是，直接将AD7708的相关端口与微控制器的可位控I／O口一一相连，如图6所示，完全用软件来产生时钟脉冲，收发数据，可以专门编写一段子程序，需要时直接调用，该子程序如图7所示。两种方式相比较，前者软件简单，符合通常串口的编写习惯，不占用I／O口，但占用串口资源。因此在串口比较繁忙的情况下建议使用后者，此时需要用到RDY 状态信号，同时需要编写输出输入子程序。

图7输入、输出子程序

2．3．2读操作软件

在硬件连接方式确定之后，就可以编写从AD7708中读出A／D数字量的软件了。这里要注意的是，每写一条操作指令前，都先得告诉通讯寄存器（COMMUNICATIONREGISTER）下一步要做读还是写操作；要对哪个寄存器进行操作，之后再写入操作指令（状态寄存器（STATUSREGISTER）和辨认寄存器IDREGISTER不可做写操作）。编程方框图［2］如图8所示。这里给出的是依次读出全部输入通道值的程序，也可直接在控制寄存器写入需采样的通道号读入任一通道值。