摘 要: AD7711A是基于Δ-∑技術(shù)的高分辨率24位A/D轉(zhuǎn)換芯片,在介紹了其特點(diǎn)和應(yīng)用之后,,給出了一種用AD7711A、單片機(jī)和PC構(gòu)成的高精度橡膠硫化溫控系統(tǒng),,該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差精度達(dá)±0.3°C。
關(guān)鍵詞: A/D轉(zhuǎn)換器 RTD Δ-∑
在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中經(jīng)常需要對某些控制變量進(jìn)行精確測量,,然后通過微型計算機(jī)計算出校正量進(jìn)行控制,。傳統(tǒng)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(shí)現(xiàn)高達(dá)24位的分辨率,。由于Δ-∑原理采用了過采樣、噪聲成行和數(shù)字抽取[3]等技術(shù),,可用較低的成本實(shí)現(xiàn)很高的分辨率,,并且噪聲小、抗干擾能力強(qiáng),,因此特別適合于低頻率,、高分辨率、寬動態(tài)范圍的A/D轉(zhuǎn)換,。
1 AD7711A的主要特點(diǎn)
·高精度,,24位無漏碼,輸出±0.0015%的非線性,。
·采用Δ-∑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),成本低,、噪聲小,、抗干擾能力強(qiáng)。
·內(nèi)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(nèi)置可編程數(shù)字低通濾波器。
·內(nèi)設(shè)自校準(zhǔn)電路,,有8種可選擇校準(zhǔn)模式,,并可直接讀寫自校準(zhǔn)寄存器,,有效地去除了零點(diǎn)漂移和增益誤差。
·低功耗(典型應(yīng)用時為25mW)并有省電的待機(jī)模式,。
·雙向串行接口,,可方便地與微處理機(jī)和DSP芯片連接。
內(nèi)置的可編程增益放大器使AD7711A能直接和傳感器相連,。當(dāng)參考電壓為2.5V,,內(nèi)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(shè)計。AD7711A片內(nèi)的24位可讀寫控制寄存器使微處理機(jī)或DSP芯片能方便的控制數(shù)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(zhǔn)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(zhuǎn)換速率和數(shù)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(nèi)部結(jié)構(gòu)
AD7711A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1,,它包括一個Δ-∑ADC,、數(shù)字濾波器、可編程放大,、時鐘發(fā)生器,、24位控制/數(shù)據(jù)/校準(zhǔn)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(shù)據(jù)或自校準(zhǔn)寄存器;SYNC腳為數(shù)字濾波器復(fù)位端,;MODE選擇數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r鐘 方式(外時鐘或內(nèi)時鐘),;AIN1+、AIN-,、AIN2+,、AIN2-分別為兩路信號的輸入端;SDATA為串行數(shù)據(jù)的輸出/輸入端,;為A/D轉(zhuǎn)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(nèi)的數(shù)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(shù)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(zhuǎn)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(yīng)用
3.1 高精度橡膠硫化溫控系統(tǒng)簡介
橡膠的硫化是橡膠生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),整個硫化過程對溫度的要求很高,,從室溫升高到設(shè)定溫度的超調(diào)量不超過±0.3°C,硫化溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度±0.3°C的范圍內(nèi),。當(dāng)加料等其它干擾引起的溫度變化時,系統(tǒng)穩(wěn)定溫度的重建時間要求在45秒內(nèi),。本系統(tǒng)通過RTD測量硫化反應(yīng)室的溫度,,通過PID調(diào)節(jié)器控制加熱裝置,從而達(dá)到對硫化溫度的精確控制,。傳統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器沒法達(dá)到分辨率要求,,因溫度信號屬于緩慢變化的信號,但AD7711A片內(nèi)集成的高穩(wěn)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(tǒng)框圖,。
3.2 AD7711A與單片機(jī)的接口
由于AD7711A的數(shù)據(jù)串行輸出格式和8751單片機(jī)的串行格式相反,所以本設(shè)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(shù)據(jù)的時鐘信號由P1.2給出,,串行數(shù)據(jù)由P1.3讀入或?qū)懗觯?IMG src="http://files.chinaaet.com/old/uploadfiles/jishu/jslw/20090429025930562.gif" border=0>和INT1相連,,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完畢后用中斷方式激活數(shù)據(jù)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(jī)代碼
讀寫數(shù)據(jù)、控制,、校準(zhǔn)寄存器都通過SDATA數(shù)據(jù)線串行讀寫,。數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換完畢后置低,引起中斷,由A0選擇數(shù)據(jù)寄存器,,RFS置低使讀取數(shù)據(jù)有效,,每次SCLK上升沿時讀一位數(shù)據(jù)。讀寫時序如圖4,。
讀數(shù)據(jù)程序代碼:
RD: SETB A0,;讀數(shù)據(jù)寄存器
SETB TFS;
CLR RFS,;置0使數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存入@R0區(qū)
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(shù)據(jù)有效
CLR SCLK,;
MOV R1,,#3;
WRR: MOV R2,,#8,;
MOV A,@R3,;由@R區(qū)讀數(shù)據(jù)
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(diào)節(jié)器
PID控制結(jié)構(gòu)如圖5,。Tr(k)、T(k)分別為反應(yīng)室溫度的設(shè)定值和測量值,。誤差e(k)=Tr(k)-T(k),u(k)為PID輸出的調(diào)節(jié)量,。
本系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器采用離散PID算法:
將式(1)兩邊進(jìn)行Z變換,得PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù):
式中 e(k)——調(diào)節(jié)器輸入偏差
KP——對象放大倍數(shù)
KI——積分系數(shù)
KD——微分系數(shù)
系統(tǒng)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(nèi)的加熱器開啟的時間,,單位為毫秒。假設(shè)受控對象硫化室為一階慣性加純延遲環(huán)節(jié),,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(shù)[2],然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié),,求出符合實(shí)際的PID調(diào)節(jié)參數(shù):
KP=50,,KI=1,KD=4000
在實(shí)際的PID調(diào)節(jié)中,,由于每次采樣周期中U的輸出最大為1200ms,,所以在PID調(diào)節(jié)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(jié)果分析
溫度控制結(jié)果如圖6,,設(shè)定的溫度為160°C,進(jìn)入穩(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)重建時間<45秒。并且系統(tǒng)的超調(diào)量很小,,整個系統(tǒng)精度達(dá)到很高的要求,。該硫化溫控系統(tǒng)由我校儀器系和上海化工機(jī)械四廠聯(lián)合開發(fā),,經(jīng)濟(jì)效益良好,。
參考文獻(xiàn)
1 Analog Device Inc.Specification for AD7711A.1995
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3 鐘 珂,陳 鍵.Δ-∑A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)及仿真.電子技術(shù)應(yīng)用,,1997,;23(7)