4章AD7417的电路结构工作原理及性能

2.AD7417的电路结构、工作原理及性能⑴电路结构图2-11是AD7417的电路结构和原理框图，这是一个片上系统，就是说图2-11的电路系统集成在一个芯片上。①AD7417的引脚由图2-11可以看出，电路系统封装后有16个引脚。我们知道，任何器件的电路都不是暴漏在空气中，而是用一种绝缘材料把它封装成各种形状的电路器件，为了和外部其它电路器件相连接，封装好的电路器件一般都留有接口（或引线），习惯上把电路器件留有的接口（或引线）称为为引脚。AD7417留有16个引脚，这些引脚都有其名称，并在器件上用符号标注。下面是这些引脚的名称和作用：图2-11AD7417电路结构及原理框图UIN1-UIN4是传感器信号的输入端口，用于与外部传感器相连接。UREF为基准电压输入端，用于与外部2.5伏基准电压相连接。CONVST为控制信号输入端,用于输入DA/转换器的控制信号。DA/转换是以CONVST端输入信号的上升沿作为开启信号，以CONVST端输入信号的下降沿作为结束信号。20~AA为地址码输入端，用于输入主机发送的地址码。SDA为串行数据端，SCL为串行时钟端。OTI为超温报警输出端，用于与报警器相连接。DDU为电源端，用于与外部2.7-5.5伏的电源相连接。GND是接地端口，用于与地线相连接。NC为空脚，即暂时没有什么作用，或待芯片功能扩展时使用。在以上介绍的AD7417的16个引脚中，有两个外电源输入端：UREF和DDU。UREF是基准电压输入端，所谓基准电压是指已知数值的准确电压。AD7417的UREF端，要求输入的电压值是2.5伏，相比之下，DDU端允许输入电压有一个波动范围。图2-12CONVST信号波形示意图图2-12是CONVST端输入信号的波形示意图，图中的上升沿是DA/转换的开启信号，下降沿是DA/转换的结束信号。图2-11中的DA/转换器就是由CONVST端的输入信号进行控制的。图2-12中，t表示时间。②AD7417的电路系统图2-11大方框内是AD7417的电路系统，按功能可将其划分为9个部分：①内置温度传感器；②2.5伏基准电压源；③多路转换器（MUX）；④逐次逼近式DA/转换器；⑤内外基准电压转换开关（1SW）；⑥超温寄存器；⑦数字比较器；⑧数据输出电路；⑨CI2接口。●多路转换器也叫多路模拟开关MUX(Multiplexer),其作用是将多个传感器输入的多路模拟信号，轮流与DA/转换器接通，使一个DA/转换器能完成多路模拟信号的转换。我们知道，一个DA/转换器只能转换一路模拟信号，但是通过多路转换器，一个DA/转换器就能转换多路模拟信号。●DA/转换器的作用是将模拟信号转换成数字信号，所谓逐次逼近式是指实现DA/转换的方式（或工作原理）。根据DA/转换过程的方式不同，DA/转换器有多种类型，除逐次逼近式DA/转换器外，还有并联比较式、反馈比较式、双积分式、电压-频率变换式等。图2-11中的逐次逼近式DA/转换器，其内部结构比较复杂，由取样电容、电荷平衡比较器、时钟振动器、控制逻辑和电荷分配式DAC等多个电路系统组成，我们这里就不作介绍了。●比较器是一种运算电路，它是将输入的电压信号与基准电压相比较，然后输出比较结果。所谓数字比较器，是指比较器是一种数字电路，而输入比较器的信号是数字信号。数字比较器能对两个位数相同的二进制数进行比较，然后输出比较结果。●CI2接口用于芯片间的数据传输，现已广泛运用在多种单片机应用系统中。CI2总线是一种串行数据总线，只有两条信号线：一条是双向的数据线（SDA），另一条是时钟线（SCL）。各种符合CI2总线技术的器件都可以连接在这两条线上，并且每个器件都有唯一的地址。CI2接口通过串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL），在连接到总线上的器件之间传送信息，并通过软件寻址识别每个器件。⑵工作原理通过以上对电路结构的介绍，我们对AD7417电路的工作原理也就比较容易理解了。图2-11是其电路结构框图，也是其工作原理图。由图2-11可以看出其工作原理是：温度传感器采集温度信号并将其转换成电压信号，电压信号通过各自的模拟通道输入到多路转换器（或多路模拟开关）。多路转换器将多个传感器输入的电压信号轮流与DA/转换器接通，在CONVST信号的控制下，模拟电压信号经过DA/转换器转变成数字信号。超温寄存器存储着测温范围的最大值，DA/转换器输出的数据与其进行比较（在数字比较器中），若大于最大值，则通过OTI端口输出报警信号；若DA/转换器输出的数据小于最大值，则其数据输入CI2接口。CI2接口通过串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL），在连接到总线上的器件之间传输数据，以实现对数据的分析和进一步处理；以实现对数据的显示、记录及对其它设备和器件的控制；以及实现远程检测等。上面我们介绍了热电偶，AD7417可采用热电偶作为它的传感器，构成AD7417型5通道温度传感器。所谓通道，就是输送传感器信号的通路。通过图2-11我们可以看到AD7417有5个通道。⑶AD7417的性能①AD7417为5通道器件，AD7417型温度传感器能同时对4路远程温度和1路本地温度进行精确测量和控制，芯片内置的本地传感器就作为多路转换器的第0号通道，1-4号通道需接外部远程传感器。②测温范围和测量精度需根据所采用的温度传感器的测温范围和精度确定。③AD7417采用I2C总线接口，适配80C51、87C51、68HC11、68HC05、PIC16CXX等型号的单片机，其串行接口遵守Motorola公司的SPI、QSPI总线协议，并与NSC公司的MicroWire总线兼容。④具有内部故障和超温指示功能，能有效地提高系统测量的准确性。⑤电源电压范围为2.7-5.5V，正常工作电流为600A，在待机模式下电流为1A。3.AD7417型智能温度传感器AD7417型温度传感器配上微处理器或单片机，就可构成了AD7417型智能温度传感器。图2-13是其电路原理图。图2-13AD7417型智能温度传感器电路图⑴退耦电容和高频消噪电容在电源和芯片之间，连有电容：C1、C2和C3。其中C1和C3的容值为10F，其作用是电源退耦。电源退耦表示：当芯片瞬间电流发生变化时，需要瞬间从电源获取较大电流，该瞬间电流可导致电源电压降低，从而对电路造成干扰。为了降低这种干扰，需要在芯片与电源之间设置一个能提供较大电流的器件，这就是图中的电容C1和C3。C2的作用是消除高频噪声，其电容值为0.1F。根据电容的阻抗-频率特性可知，当频率低于谐振频率时，主要为电容效应，此时频率越高电容的阻抗越小；当频率高于谐振频率时，电感效应变大，此时频率越高电容的阻抗越大。容量为0.1F的电容，一般为陶瓷电容或云母电容，这种电容的电感效应小，谐振频率高，因此对高频信号阻抗小，能够把电源的高频信号滤除掉。大电容由于容量大，所以体积一般也比较大，且通常使用多层卷绕的方式制作，这就导致了大电容的分布电感比较大。电感对高频信号的阻抗很大，所以大电容的高频性能不好。而一些小容量电容的性能恰恰相反，具有很好的高频性能，但是对低频信号的阻抗增大。因此一般在电路中，把容量大的电容器用作电源退耦，把容量小的电容器用来消除高频噪声。⑵芯片引脚的作用模拟通道端口UIN1-UIN4用来连接外部传感器。UREF是外基准电源输入端，外基准电源一般选用AD780或MC1403型2.5V基准电压源。SDA和SCL构成了I2C总线串行接口。CONVST为控制信号输入端,用于输入DA/转换器的控制信号；OTI为超温报警端；20~AA为地址码输入端。⑶单片机①单片机的概念微处理器一般采用单片机。单片机是单片微型计算机的简称，它是大规模集成电路技术发展的产物，属于第四代电子计算机。它把中央处理器（CentralProcessingUnit,CPU）、随机存取存储器（RandomAccessMemory,RAM）、只读存储器（ReadOnlyMemory,ROM）、定时器/计数器以及I/O接口电路等主要计算机部件集成在一块集成电路芯片上。单片机具有高性能、高速度、体积小、价格低、稳定性好、应用广泛等特点。把单片机应用到传感器技术中，大大提高了传感器技术的现代化水平。②单片机的构成单片机也是由硬件系统和软件系统构成。单片机的硬件系统是由运算器、控制器、存储器、输入/输出设备5部分组成，只不过这5部分被集成在一个尺寸有限的芯片上。单片机的软件系统比较简单，只有监控程序和目标码的应用程序。首先，单片机的系统管理没有微型机那样复杂的操作系统，而只使用简单的监控程序，因此监控程序就成为单片机中最重要的系统软件。其次，大多数单片机不使用高级语言，因此也没有必要配置程序设计语言。单片机中通常使用的是汇编语言，但单片机并没有自己专用的汇编程序，用户的应用程序是在其他微型计算机上通过交叉汇编方法得到的二进制目标码。因此，在单片机软件系统中，只有监控程序和目标码的应用程序。③MCS-51单片机虽然单片机种类繁多，但使用最为广泛的是MCS-51单片机。表2-1列出了MCS-51单片机系列的芯片型号及其技术性能指标，由此可对单片机的基本情况有一个概括的了解。由表2-1可以看出，MCS-51系列分成51和52两个子系列，其中：51子系列是基本型，52子系列属增强型。从表中可以看出52子系列功能增强的具体方面：●片内ROM容量从4KB增加到8KB。●片内RAM容量从128B增加到256B。●定时器/计数器从2个增加到3个。●中断源从5个增加到6个。表2-1MCS-51系列单片机芯片型号及性能指标在表2-1中，芯片型号有带字母“C”的，有不带的，其含义是什么。我们知道MCS-51系列单片机采用两种半导体生产工艺：一种是HMOS工艺；另一种是CHMOS工艺。表2-1芯片型号中凡带有字母“C”的为采用CHMOS工艺制作的芯片，简称CHMOS芯片；其余均为HMOS芯片。CHMOS工艺是CMOS和HMOS两种工艺的结合，除保持了HMOS芯片高速度和高密度的特点之外，还具有CMOS低功耗的特点。例如，8051芯片的功耗为630mW，而80C51的功耗只有120mW。MCS-51单片机片内程序存储器有3种配置形式，即：掩膜ROM、EPROM和无。这3种配置形式对应着3种不同的单片机芯片，它们各有特点，也各有其适用场合，在使用时应根据需要进行选择。④单片机的抗干扰特性和稳定特性此外，再顺便说一下单片机的环境适应问题，主要是指单片机的抗干扰特性和温度特性。单片机具有很强的抗干扰能力，这是其它计算机所不能相比的，但是单片机对环境温度的适应，划分了3个等级：●民用级：0至70OC.●工业级：-40至125OC。●军用级：-65至125OC。因此，在使用中应该根据现场温度选择芯片。2.4微型传感器2.4.1微型传感器的基本概念微型传感器主要是指其敏感元件很小，敏感元件的尺寸一般在0.1-100m之间。然而，微型传感器并不是传统传感器单纯体积上的缩小，而是在理论、结构、制作等方面，都有其自身的规律。下面我们首先介绍一下微型传感器的一些基本概念。1.微电子与微传感器微电子技术起源于1948年第一只晶体管的出现，而之后不久研制的双极结型晶体管（BJT）和结型场效应管（JFET）仍是目前微电子器件的核心单元。然而，真正意义上的微电子技术起源于集成电路芯片的出现。⑴微电子技术与微电子器件近几年来，随着硅加工工艺的不断进步，使得器件的尺寸不断缩小，现在最小的尺寸约在200nm左右。这样在同一芯片上可集成的晶体管越来越多，现在在一块芯片上可集成上亿只晶体管。正是这种集成度的快速发展，才使的集成电路，尤其是微型计算机，成为了现代传感器的重要组成部分。微电子加工技术，用于制作各种微电子器件。常见的微电子器件包括运算放大器、逻辑门电路、微处理器等。具体到测量和控制方面，微电子技术的发展直接导致了信号处理芯片功能的提升和价格的下降。我们知道，信号处理是测控电路重要组成部分，与信号处理芯片相比，传感器的发展要相对滞后。传感器不仅体积庞大，而且性价比相对较