∑－Δ模数转换器AD7731的工作原理、特性及应用

1. 概述

AD7731是美国ADI公司开发的具有低噪声、高通过率等特性的∑－Δ模数转换器。它可直接接收来自传感器的输入信号，适合于测量具有广泛动态范围的低频信号，可广泛应用于应变测量、温度测量、压力测量及工业过程控制等领域。

AD7731可以作为过程控制应用的完整模拟前端，其独特的前端增益可编程功能允许AD7731直接接受来自传感器（如压力传感器或温度传感器）的各种范围的输入信号。AD7731采用三线模式串行接口，易于与微处理器或数字信号处理器接口，可广泛应用于数据采集系统和可编程逻辑控制系统。AD7731内含12个片内寄存器，通过串行口访问这些片内寄存器可以灵活设置器件的工作方。

AD7731具有如下特性：

●分辨率高，AD7731采用先进的∑－Δ结构，能够获得24位分辨率；输出频率为800Hz时，仍可获得16位的分辨率；

●输入动态范围广，采用缓冲差分输入，具有三个差分输入通道或五个单端输入通道；

●采用单电源供电；

●片内数字滤波器的截止频率可编程；

●内置可编程增益放大器（PGA）；

●通道顺序可工作于FASTStep模式下；

●输出频率可编程，最高可达6.4kHz；

●±0.0015％非线性；

●AD7731具有比传统的高分辨率模数转换器更高的抗噪声能力。

AD7731的封装形式有三种：24脚塑料DIP封装、24脚SOIC封装和24脚TSSOP封装。图1中标出了各主要引脚的功能和引脚号。表1给出了AD7731的引脚功能说明。

2. 工作原理

AD7731的内部结构功能框图如图1所示，从图1可以看出：AD7731内部包含Σ－ΔADC、静态RAM的定标微控制器、寄存器组、时钟振荡电路、数字滤波器和双向串行通讯端口等。

AD7731的可编程功能是通过12个片内寄存器来控制的，而对这些寄存器的访问则是通过串行接口来进行的。通过设置片内寄存器可以方便地控制AD7731的所有功能，并且还可以从片内寄存器中获取重要的状态信息以及模数转换结果。

3. 应用举例

由于AD7731模拟输入和参考输入都是差分输入，因此在模拟调制器上的大多数电压是共模电压。AD7731杰出的共模抑制功能可以滤除所有输入上的共模噪声。它的模拟电路和数字电路的供电电源是相互独立的，而且分别有相应的外部引脚，这样可以使模拟部分和数字部分的耦合最小化。数字滤波器能够有效滤除供电电源上的宽带噪声（除了在调制器取样频率的整数倍上）。倘若噪声源不使模拟调制饱和，数字滤波器也能起到把噪声从模拟输入和参考输入上滤除的作用。因此，AD7731具有比传统的高分辨率模数转换器更高的抗噪声能力。此外片内PAG允许AD7731处理从20mV到1.28V到模拟输入电压范围。因此AD7731可直接处理来自传感器的信号，非常适合于低带通、高分辨率的数据采集系统。

图2是利用AD7731模数转换器与8XC51单片机构成的一个高精度数据采集系统的电路连接原理图。由于8XC5单片机1是工作在模式0串行接口模式下，其串行接口只包含一条数据线，因此AD7731的两个引脚DATA OUT 和DATA IN必须连接在一块，且在串行通信时AD7731必须采用连续读取操作模式。如果要判断数据寄存器的内容是否已经更新，可以采用以下两种方案之一：（1） 通过软件编程的方法，监测状态寄存器的RDY位的状态。（2）增加接口线，监测来自AD7731的 输出线的状态。可以将RDY与8XC51端口中的一个（如P1.0输入端）进行连接，利用该端口位决定RDY的状态。也可以利用8XC51的一个输出端口（如P1.1） 控制AD7731的片选信号。此外，如果AD7731的模拟输入端的模拟输入电压均为正极性，则整个系统的电源可以只由单个5V提供。

由于AD7731上的串行时钟在数据传输之间为高电平，因此必须把AD7731的POL输入引脚硬连接为逻辑高电平。此外需注意AD7731与8XC51的数据字传输顺序是相反的，即在写操作中8XC51首先输出低有效字节，而AD7731总是先接受高有效字节，因此在数据被写入AD7731的输出串行寄存器之前必须重新安排数据的传输顺序；与此类似，在读操作中AD7731首先输出高有效字节，而8XC51先接受低有效字节，因此，来自AD7731的数据在载入8XC51的累加器之前也必须重新安排数据的传输顺序。

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