在工業生產過程控制中經常需要對某些控制變量進行精確測量，然后通過微型計算機計算出校正量進行控制。傳統的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，可實現高達24位的分辨率。由于Δ-∑原理采用了過采樣、噪聲成行和數字抽取等技術，可用較低的成本實現很高的分辨率，并且噪聲小、抗干擾能力強，因此特別適合于低頻率、高分辨率、寬動態范圍的A/D轉換。

１ AD7711A的主要特點

·高精度，24位無漏碼，輸出±0.0015%的非線性。

·采用Δ-∑轉換結構，成本低、噪聲小、抗干擾能力強。

·內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。

·內置可編程數字低通濾波器。

·內設自校準電路，有8種可選擇校準模式，并可直接讀寫自校準寄存器，有效地去除了零點漂移和增益誤差。

·低功耗（典型應用時為25mW）并有省電的待機模式。

·雙向串行接口，可方便地與微處理機和DSP芯片連接。

內置的可編程增益放大器使AD7711A能直接和傳感器相連。當參考電壓為2.5V，內置放大器增益從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測量溫度的電路設計。AD7711A片內的24位可讀寫控制寄存器使微處理機或DSP芯片能方便的控制數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 轉換速率和數字濾波器的第一陷波處的頻率相等（即可編程控制）。

２ AD7711A的內部結構

AD7711A的內部結構如圖１，它包括一個Δ-∑ADC、數字濾波器、可編程放大、時鐘發生器、24位控制／數據／校準寄存器、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，置高時選數據或自校準寄存器；SYNC腳為數字濾波器復位端；MODE選擇數據傳輸的時鐘方式（外時鐘或內時鐘）；AIN1+、AIN-、AIN2+、AIN2-分別為兩路信號的輸入端；SDATA為串行數據的輸出／輸入端；DRDY為A/D轉換完成端，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片內的數字濾波器為

第一陷波頻率由控制寄存器中的第12～23位的值決定，數字濾波器的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BITO，LSB為BIT23。

３ AD7711A的應用

３.1 高精度橡膠硫化溫控系統簡介

橡膠的硫化是橡膠生產中的關鍵環節，整個硫化過程對溫度的要求很高，從室溫升高到設定溫度的超調量不超過±0.3°C？硫化溫度穩定在設定溫度±0.3° C的范圍內。當加料等其它干擾引起的溫度變化時，系統穩定溫度的重建時間要求在45秒內。本系統通過RTD測量硫化反應室的溫度，通過PID調節器控制加熱裝置，從而達到對硫化溫度的精確控制。傳統的A/D轉換器沒法達到分辨率要求，因溫度信號屬于緩慢變化的信號，但AD7711A片內集成的高穩定性的 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框圖。

3.2 AD7711A與單片機的接口

由于AD7711A的數據串行輸出格式和8751單片機的串行格式相反，所以本設計中不使用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，讀寫數據的時鐘信號由P1.2給出，串行數據由P1.3讀入或寫出，和INT1相連，數據轉換完畢后用中斷方式激活數據讀取程序。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代碼

讀寫數據、控制、校準寄存器都通過SDATA數據線串行讀寫。數據A/D轉換完畢后DRDY置低，引起中斷，由A0選擇數據寄存器，RFS置低使讀取數據有效，每次SCLK上升沿時讀一位數據。讀寫時序如圖４。

讀數據程序代碼：

RD： SETB A0；讀數據寄存器

SETB TFS；

CLR RFS；置0使數據有效

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@；數據存入@R0區

INC RO；

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；使寫入數據有效

CLR SCLK；

MOV R1，#3；

WRR： MOV R2，#8

MOV A@R3；由@R區讀數據

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調節器PID控制結構如圖５。Tr（K）　、T（K）分別為反應室溫度的設定值和測量值。

?

式中e（k）——調節器輸入偏差

Kp——對象放大倍數

KI——積分系數

KD——微分系數

系統的采樣周期取1.2秒，輸出u（k）為加熱器在1.2秒采樣時間內的加熱器開啟的時間，單位為毫秒。假設受控對象硫化室為一階慣性加純延遲環節，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，然后根據實驗調節，求出符合實際的PID調節參數：

在實際的PID調節中，由于每次采樣周期中U的輸出最大為1200ms，所以在PID調節控制中需要一些輸出限幅，以及對積分項的分離控制。

3.5 結果分析

溫度控制結果如圖6，設定的溫度為160℃進入穩態后波動幅度不超過±0.3℃。從圖中看出溫度控制精度很高，圖中每一行格距離為0.1℃，t1時刻為加料的時間，擾動較少，幅度小于1℃，穩態重建時間＜45秒。并且系統的超調量很小，整個系統精度達到很高的要求。該硫化溫控系統由我校儀器系和上海化工機械四廠聯合開發，經濟效益良好。

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