1 AD7711A的主要特点
·高精度,24位无漏码,输出±0.0015%的非线性。
·采用Δ-∑转换结构,成本低、噪声小、抗干扰能力强。
·内置可编程增益放大器,增益范围1~128,可与传感器直接相连,输入为双通道,可切换。
·内置可编程数字低通滤波器。
·内设自校准电路,有8种可选择校准模式,并可直接读写自校准寄存器,有效地去除了零点漂移和增益误差。
·低功耗(典型应用时为25mW)并有省电的待机模式。
·双向串行接口,可方便地与微处理机和DSP芯片连接。
内置的可编程增益放大器使AD7711A能直接和传感器相连。当参考电压为2.5V,内置放大器增益从1变到128时,可接受的信号范围由0~20mV变到0~2.5V(单端)。提供了RTD激励恒流源,简化了RTD测量温度的电路设计。AD7711A片内的24位可读写控制寄存器使微处理机或DSP芯片能方便的控制数字滤波器的截止频率、输入放大器增益、通道选择以及自校准模式。AD7711A的一般主时钟频率为10MHz,可用单或双电源供电。A/D 转换速率和数字滤波器的第一陷波处的频率相等(即可编程控制)。
2 AD7711A的内部结构
AD7711A的内部结构如图1,它包括一个Δ-∑ADC、数字滤波器、可编程放大、时钟发生器、24位控制/数据/校准寄存器、400μA恒流源。 AD7711A的引脚中SCLK为串行时钟输入端;MCLKIN和MCLKOU为主时钟频率的连接端;A0为寄存器地址选择,A0置低时选控制寄存器,置高时选数据或自校准寄存器;SYNC脚为数字滤波器复位端;MODE选择数据传输的时钟方式(外时钟或内时钟);AIN1+、AIN-、AIN2+、AIN2-分别为两路信号的输入端;SDATA为串行数据的输出/输入端;
3 AD7711A的应用
3.1 高精度橡胶硫化温控系统简介
橡胶的硫化是橡胶生产中的关键环节,整个硫化过程对温度的要求很高,从室温升高到设定温度的超调量不超过±0.3°C硫化温度稳定在设定温度±0.3° C的范围内。当加料等其它干扰引起的温度变化时,系统稳定温度的重建时间要求在45秒内。本系统通过RTD测量硫化反应室的温度,通过PID调节器控制加热装置,从而达到对硫化温度的精确控制。传统的A/D转换器没法达到分辨率要求,因温度信号属于缓慢变化的信号,但AD7711A片内集成的高稳定性的 RTD激励恒流源使AD7711A成为理想的选择。图2为整个硫化温控系统框图。
3.2 AD7711A与单片机的接口
由于AD7711A的数据串行输出格式和8751单片机的串行格式相反,所以本设计中不使用8751的串行口,而采用P1口直接和AD7711A相连。P1.0与A0相连来选择寄存器,读写数据的时钟信号由P1.2给出,串行数据由P1.3读入或写出,
3.3 AD7711A的读写时序和单片机代码
读写数据、控制、校准寄存器都通过SDATA数据线串行读写。数据A/D转换完毕后DRDY置低,引起中断,由A0选择数据寄存器,RFS置低使读取数据有效,每次SCLK上升沿时读一位数据。读写时序如图4。
读数据程序代码:
RD: SETB A0;读数据寄存器
SETB TFS;
CLR RFS;置0使数据有效
CLR SCLK;
MOV R1,#3;
RDD: MOV R2, #8;
RDDD: SETB SCLK;时钟置高
MOV C,SDATA;读1位
CLR SCLK;
RLC A;
DJNZ R2,RDDD;是否读完1BYTE
MOV R0,A@;数据存入@R0区
INC RO;
DJNZ R1,RDD;
写控制寄存器程序代码:
WR: CLR A0;写控制寄存器
SETB RFS;
CLR TFS;使写入数据有效
CLR SCLK;
MOV R1,#3;
WRR: MOV R2,#8
MOV A@R3;由@R区读数据
WRRR: RLC A;
MOV SDATA,C;
SETB SCLK;时钟置高
CLR SCLK;
DJNZ R2,WRRR;是否写完1 BYTE
INC R3;
DJNZ R1;WRR;
3.4 PID调节器
PID控制结构如图5。Tr(K) 、T(K)分别为反应室温度的设定值和测量值。误差
本系统的PID调节器采用离散PID算法:
将式(1)两边进行Z变换,得PID调节器的传递函数:
式中e(k)——调节器输入偏差
Kp——对象放大倍数
KI——积分系数
KD——微分系数
系统的采样周期取1.2秒,输出u(k)为加热器在1.2秒采样时间内的加热器开启的时间,单位为毫秒。假设受控对象硫化室为一阶惯性加纯延迟环节,测出被控对象的临界增益和临界振荡周期,用Ziegler-Nicholes法整定PID参数,然后根据实验调节,求出符合实际的PID调节参数:
在实际的PID调节中,由于每次采样周期中U的输出最大为1200ms,所以在PID调节控制中需要一些输出限幅,以及对积分项的分离控制。
3.5 结果分析
温度控制结果如图6,设定的温度为160℃进入稳态后波动幅度不超过±0.3℃。从图中看出温度控制精度很高,图中每一行格距离为0.1℃,t1时刻为加料的时间,扰动较少,幅度小于1℃,稳态重建时间<45秒。并且系统的超调量很小,整个系统精度达到很高的要求。该硫化温控系统由我校仪器系和上海化工机械四厂联合开发,经济效益良好。
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