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16 位Σ-Δ模数转换电路MS7706应用于电池 温度检测与兼容AD7706

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发表于 2022-6-24 21:07 | 显示全部楼层 |阅读模式
MS7706描述
MS7705/MS7706 是一款用于低频测量的模数转换器。它采用了Σ-Δ转换技术实现了输出结果为 16 位的无失码。工作电压范围为 2.7V-3.3V 或 4.75V-5.25V。
MS7705/MS7706 非常适合用于智能,微控制器,或基于 DSP的系统。它可通过串行接口来设置增益,信号极性,及输出速率。可以进行自校准和系统校准来消除系统的增益和偏移误差,在待机模式下的功耗典型值为 20μW。
主要特点
MS7705:2 个全差分输入通道
MS7706:3 个伪差分输入通道
输出 16 位无失码
0.003%非线性
可编程的增益前端:增益从 1 到 128
3 线串口: SPI、QSPI、PMICROWIRE、DSP兼容
2.7 V 到 3.3 V 或 4.75 V 到 5.25 V 的工作电压
在 3V 的电源电压下最大功耗为 1mW
待机电流最大为 8μA
SOP16、DIP16 封装
应用
压力测量
温度测量
电池监控
智能发送器
替代(脚位定义相同,软件硬件无需改动)
MS7706 P=P AD7706
MS7705 P=P AD7705
封装图


管脚图


内部框图


电气参数
若无特别说明,则 VDD=3V,5V 或 2.5V,REF(+)=1.225V,REF(-)=GND,MCLK IN=2.4576MHz。








1.温度范围-40°C+85°C。
2.这些数据是在最初设计时就已经确定的。
3.校准是一次转换,误差表 2 和 4 所示转换就是这些噪声误差。适用于在期望的温度下校准后。
4.在任何温度下进行重新校准后将会消除这些漂移误差。
5.正满伏误差包括零伏误差(单极偏移误差或双极零点误差),它既适用于单极输入范围又适用于双极输入范围。
6.满伏漂移包括了零伏漂移(单极偏移漂移和双极零点漂移),它既适用于单极输入范围又适用于双极输入范围。
7.增益误差不包括零伏误差。它的计算方法为:单极范围时(满伏误差-单极偏移误差);双极范围时(满伏误差-双极零点误差)。
8.增益漂移不包括单极偏移漂移和双极零点漂移。当零伏校准执行后,增益漂移是系统的漂量。
9.共模电压范围:模拟输入电压(GND-100mV)到(VDD+30mV)。
10.MS7705/MS7706 的模拟输入电压可以最低可到 GND-200mV,但漏电流会增大。
11.这里给出的 AIN(+)端的电压输入范围,对于 MS7705 来说,是指相对于 AIN(-)端的电压;对于MS7706 来说,是指 COMMON 端。
12.VREF = REF IN(+) - REF IN(-)。
13.仅当加载一个 CMOS 负载时,这些逻辑输出电平才适用于 MCLK OUT。
14.在+25℃时测试样品,以保证一致性。
15.校准后,若模拟输入超过正满幅,转换器将输出全 1;若低于负满幅,转换器见输出全0。
16.在模拟输入端所加的校准电压的极限不应超过 VDD+30mV,或小于 GND-100mV。偏移校准的极限适用于单极零件和双极零点。
17.当使用晶体振荡器或陶瓷振荡器作为 MCLK 的时钟源时,VDD 的电流和功耗取决于晶体振荡器与陶瓷振荡器的类型(见“时钟和振荡器电路”部分)。
18.在待机模式下,如果外部的主时钟持续工作,待机电流典型值会增加到 150μ(VDD=5V),或75μA(VDD=3V)。当使用晶体振荡器或陶瓷振荡器作为时钟源时,内部振荡器在待机模式下会一直工作,电源电流会随着晶体振荡器和陶瓷振荡器的类型而变化(见“待机模式”部分)。
19.在直流下进行测量,只适用于所选定的通带频率。50Hz 时,PSRR 超过 120dB(滤波器陷波为 25Hz或 50Hz)。60Hz 时,PSRR 超过 120dB(滤波器陷波为 20Hz 或 60Hz)。
20.PSRR 由增益与电源决定,如下:


功能描述
片内寄存器
MS7705/7706 片内包括 8 个寄存器,这些寄存器通过器件的串行口访问。第 1 个是通信寄存器,它管理通道选择,决定下一个操作是读操作还是写操作,以及下一次读或写哪一个寄存器。所有与器件的通信必须从写入通信寄存器开始。上电或复位后,器件等待在通信寄存器上进行一次写操作。这一写到通信寄存器的数据决定下一次操作是读还是写,同时决定这次读操作或写操作在哪个寄存器上发生。所以,写任何其它寄存器首先要写通信寄存器,然后才能写选定的寄存器。所有的寄存器(包括通信寄存器本身和输出数据寄存器)进行读操作之前,必须先写通信寄存器,然后才能读选定的寄存器。此外,通信寄存器还控制等待模式和通道选择,此外 DRDY 状态也可以从通信寄存器上读出。
第 2 个寄存器是设置寄存器,决定校准模式、增益设置、单/双极性输入以及缓冲模式。第 3 个寄存器是时钟寄存器,包括滤波器选择位和时钟控制位。
第 4 个寄存器是数据寄存器,器件输出的数据从这个寄存器读出。最后一个寄存器是校准寄存器,它存储通道校准数据。下面分别作详细说明。
通信寄存器
(RS2,RS1,RS0=0,0,0)
通信寄存器是一个 8 位寄存器,既可以读出数据也可以把数据写进去。写上去的数据决定下一次读操作或写操作在哪个寄存器上发生。一旦在选定的寄存器上完成了下一次读操作或写操作,接口返回到通信寄存器接收一次写操作的状态。这是接口的默认状态,在上电或复位后,MS7705/7706 就处于这种默认状态等待对通信寄存器一次写操作。在接口序列丢失的情况下,如果在 DIN 高电平的写操作持续了足够长的时间(至少 32 个串行时钟周期),MS7705/7706 将会回到默认状态。




设置寄存器
(RS2,RS1,RS0=0,0,1), 上电/复位状态: 01Hex
设置寄存器是一个 8 位寄存器,它既可以读数据又可将数据写入。


时钟寄存器
(RS2,RS1,RS0 = 0,1,0),上电/复位状态:05Hex时钟寄存器是一个可以读/写数据的 8 位寄存器。




数据寄存器
(RS2,RS1,RS0 = 0,1,1)
数据寄存器是一个 16 位只读寄存器,它包含了来自 MS7705/7706 最新的转换结果。如果通信寄存器将器件设置成对该寄存器写操作,则必定会实际上发生一次写操作以使器件返回到准备对通信寄存器的写操作,但是向器件写入的 16 位数字将被 MS7705/7706 忽略。
测试寄存器
(RS2,RS1,RS0 = 1,0,0);上电/复位状态:00Hex
测试寄存器用于测试器件时。建议用户不要改变测试寄存器的任何位的默认值(上电或复位时自动置入全 0),否则当器件处于测试模式时,不能正确运行。
零标度校准寄存器
(RS2,RS1,RS0 = 1,1,0);上电/复位状态:1F4000Hex
MS7705/7706 包含几组独立的零标度寄存器,每个零标度寄存器负责一个输入通道。它们皆为 24位读/写寄存器,24 位数据必须被写之后才能传送到零标度校准寄存器。零标度寄存器和满标度寄存器连在一起使用,组成一个寄存器对。每个寄存器对对应一对通道,见表 9。
当器件被设置成允许通过数字接口访问这些寄存器时,器件本身不再访问寄存器系数以使输出数据具有正确的尺度。结果,在访问校准寄存器(无论是读/写操作)后,从器件读得的第一个输出数据可能包含不正确的数据。此外,数据校准期间,校准寄存器不能进行写操作。这类事件可以通过以下方法避免:在校准寄存器开始工作前,将模式寄存器的 FSYNC 位置为高电平,任务结束后,又将其置为低电平。
满标度校准寄存器
(RS2,RS1,RS0 = 1,1,1);上电/复位状态:5761ABHex
MS7705/7706 包含几个独立的满标度寄存器,每个满标度寄存器负责一个输入通道。它们皆为 24位读/写寄存器,24 位数据必须被写之后才能传送到满标度校准寄存器。满标度寄存器和零标度寄存器连在一起使用,组成一个寄存器对。每个寄存器对对应一对通道,见表 9。
当器件被设置成允许通过数字接口访问这些寄存器时,器件本身不再访问寄存器系数以使输出数据具有正确的尺度。结果,在访问校准寄存器(无论是读/写操作)后,从器件读得的第一个输出数据可能包含不正确的数据。此外,数据校准期间,校准寄存器不能进行写操作。这类事件可以通过以下方法避免:在校准寄存器开始工作前,将模式寄存器的 FSYNC 位置为高电平,任务结束后,又将其置为低电平。
电路说明
MS7705/7706 是一种片内带数字滤波的Σ-Δ模/数转换器,旨在为宽动态范围测量、工业控制或工艺控制中的低频信号的转换而设计的。它包括一个Σ-Δ(或电荷平衡)MSC、片内带静态 RAM 的校准微控制器、时钟振荡器、数字滤波器和一个双向串行通信端口。该器件的电源电流仅为 320μA,使得它理想地用于电池供电的仪器中。器件具有两种可选电源电压范围分别是 2.73.3V 或 4.755.25V。
MS7705/7706 包括 2 个可编程增益全差分模拟输入通道,MS7706 包括 3 个伪差分模拟输入通道。输入通道的可选增益为 1、2、4、8、16、32、64 和 128,当基准输入电压为 2.5V 时允许器件接受 0mV+20mV 和 0V+2.5V 之间的单极性信号或±20mV 至±2.5V 范围内的双极性信号。基准电压为1.225V 时,在单极性模式下,输入范围是 0mV+10mV 至 0V±1.225V,双极性模式下,输入范围是±10mV±1.225V。说明:双极性输入范围是相对于 AIN(-)的,对 MS7706 而言是相对于 COMMON 的而不是对 GND 的。
输入到模拟输入端的信号被持续采样,采样频率由主时钟 MCLK IN 的频率和选定的增益决定。电荷平衡模/数转换(Σ-Δ调制器)将采样信号转化为占空比包含数字信息的数字脉冲链。模拟输入端的可编程增益功能配合Σ-Δ调制器,修正输入的采样频率,以获得更高的增益。Sinc3 低通数字滤波器处理Σ-Δ调制器的输出并以一定的速率更新输出寄存器,这速率由滤波器第一个陷波的频率决定。输出数据可以从串行端口上随机地或周期性地读出,读出速率可为不超过输出寄存器更新速率的任意值。数字滤波器的第一个陷波频率(以及-3dB 频率)可以通过设置寄存器的 FS0 和 FS1 编程。当主时钟的频率为 2.4576MHz 时,第一陷波频率的可编程范围为 50Hz500Hz,-3dB 频率的范围为 13.1Hz131Hz。
主 时 钟 频 率 为 1MHz 时 , 第 一 陷 波 频 率 的 可 编 程 范 围 为 20Hz  200Hz , -3dB 频 率 的 范 围 为5.24Hz52.4Hz。
图 2 是 MS7705 的基本连接电路图,如图所示,模拟电压为+5V;精密的+2.5V 基准电压 MS780 为器件提供基准源。在数字信号这边,器件被配置成三线工作,CS 接地。石英晶体或陶瓷谐振器提供主时钟源。在绝大多数情况下,需要在晶体或谐振器上连接一个电容器以保证在基本工作频率的泛音时,不产生振荡。电容器的电容值随制造商的要求而变化。此配置同样适用于 MS7706。


MS7705/7706 的配置
MS7705/7706 用户可通过串行接口访问的片内寄存器。与任何寄存器通信都要首先向通信寄存器写入。图 9 画出了对 MS7705/7706 上电或复位之后,配置所有寄存器过程的流程图。流程图也显示了两种不同的读选项,第一个是查询 DRDY 引脚以确定数据寄存器更新是何时进行的,第二个是查询通信寄存器中的 DRDY 位以确认数据寄存器是否进行过更新。流程图中还包括设置不同的工作条件所必须写进寄存器的一系列字。这些工作条件是指增益为 1,没有滤波同步、双极性模式、无缓冲、4.9512MHz 的时钟和 50Hz 的输出速率。


典型应用图
压力测量
MS7705/7706 的一个典型应用就是压力测量。图 10 所示是 MS7705/7706 与一个压力传感器一起使用的情况。压力传感器被安装在一个桥式电路中,在它的 OUT(+)和 OUT(-)端输出差分输出电压。当在传感器上加上满标度压力(300mmHg)时,差分输出电压(即 IN(+)和 IN(-)两端之间的电压)是输入电压的 3mV/V。假定激励电压是 5V,则传感器的满标度输出电压是 15mV。桥式电路的激励电压还用来为 MS7705/7706 产生基准电压。因此,激励电压的变化不会造成系统内的误差。图 10 中,当两个电阻值分别为 24kΩ和 15kΩ时,激励电压为 5V 时,MS7705/7706 产生的基准电压为 1.92V。器件具有128 的可编程增益时,MS7705/7706 的满标度输入幅度应是 15mV。此值与传感器的输出范围有关。
MS7705/7706 的第二个通道可作为一个辅助通道以测量另一个变化,如温度,如图 10 所示。这个次级通道可以用来调整初次通道的输出信号,以便消除温度对系统的影响。


温度测量
MS7705 的另外一个应用领域是温度测量。图 11 是一个热耦与 MS7705 的连接图。在这一应用中,MS7705 在缓冲模式下工作,以便允许前端的大去耦电容器消除可能在热耦引脚上的任何噪声检拾。当 MS7705 在缓冲模式下工作时,其共模输入范围缩小。为了将来自热耦的差分电压置于一个合适的共模电压上,MS7705 的 AIN1(-)输入端要向上偏置达到基准电压(+2.5V)。


图 12 所示是 MS7705 的另一个温度测量应用。在这一应用中,传感器是一个 RTD(热敏电阻),PT100。它是一个四引脚的 RTD。在引线电阻 RL1 和 RL4 上有电压降,但这只使共模电压发生了偏移。
当 MS7705 的输入电流很低时,引线电阻 RL2 和 RL3 上无电压降。引线电阻呈现了一个小的源阻抗,所以一般不必将 MS7705 中的缓冲器打开。如果要求使用缓冲器,必须通过在 RTD 的底端和 MS7705的 GND 之间插入一个小电阻来设置相应的共模电压。在此应用中,外部 400μA 电流源为 PT100 提供激励电源,同时通过 6.25kΩ的电阻器。为 MS7705 产生基准电压。激励电流的变化不影响电路工作,这是因为输入电压和基准电压都随激励电流变化。然而,6.25kΩ的电阻器必须有很小的温度系数以避免温度范围内基准电压的误差。


电池监控
另一个要求应用低功率,单电源工作的领域就是在便携式装置中的电池监控。图 13 是一个电池监控器的方框图,包括 MS7705 和用来差分测量每一节电池的两端电压的外部多路器(Multiplexer)。
MS7705 的第二个通道用来监控电池的漏电流。带有双输入通道的 MS7705 很适合用于需要两个输入通道的测量系统,就象在本例中,用来监控电压和电流。因 MS7705 能够适应很弱的输入信号,所以RSENSE 能用很小的阻值,这样就能够降低不必要的电源损耗。这个系统工作在增益为 128 的情况下,满标度为±9.57mV 的信号能以 2μV 的分辨率进行测量,并给出 13.5 位的稳定性能。为了在非缓冲模式下获得额定的特性,假定模拟输入电压的绝对值 在 GND-30mV 和 VDD+30mV 之间,输入共模范围为GND 到 VDD。25℃时,在性能不降低的情况下,MS7705 能够承受 GND-200mV 的绝对电压,但漏电流在温度升高时将增大很多。










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