摘 要：美國ADI公司生產(chǎn)的AD7417/AD7418是十位、四通道/單通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該系統(tǒng)芯片不但具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，片內(nèi)還集成了溫度傳感器，可以對周圍環(huán)境溫度進(jìn)行精確測量(－40℃～＋125℃)。AD7416為溫度控制器件，具有過溫提示(OTI)功能及可編程錯(cuò)誤隊(duì)列計(jì)數(shù)器，可以對溫度進(jìn)行精確控制并防止環(huán)境噪聲的偽觸發(fā)。文中重點(diǎn)介紹了這組器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能特點(diǎn)以及應(yīng)用方法。
關(guān)鍵詞：模數(shù)轉(zhuǎn)換器；溫度傳感器；過溫度提示；串行總線接口；追蹤/保持
概述
ADI公司生產(chǎn)的AD7417/AD7418為十位、四通道/單通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器片內(nèi)帶有溫度傳感器，并采用單電源(2.7～5.5 V)供電。器件內(nèi)含15μs逐次比較型轉(zhuǎn)換器、5通道復(fù)用器、溫度傳感器、時(shí)鐘振蕩器、以及2.5V的基準(zhǔn)電壓。AD7416為8引腳的溫度控制器件，其片內(nèi)的溫度傳感器可通過復(fù)用器的0通道與模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連，并具有過溫度提示(OTI)功能。其內(nèi)置的可編程錯(cuò)誤隊(duì)列計(jì)數(shù)器可以允許一定數(shù)量的超量程測量值，并可阻止環(huán)境噪聲對OTI的偽觸發(fā)。
由于AD7416/AD7417/AD7418均具有片上溫度傳感器，因此可對周圍環(huán)境溫度進(jìn)行精確測量(精度為±1℃@25℃，超過溫度范圍時(shí)的精度為±2℃)，測量范圍為-40~+125℃。過溫度提示功能可通過對ADC0通道(溫度傳感器)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并將得到的結(jié)果與片內(nèi)過溫度寄存器內(nèi)的數(shù)值進(jìn)行比較來控制。AD7417提供有四個(gè)外部電壓輸入端、一個(gè)片上溫度傳感器、一個(gè)片內(nèi)基準(zhǔn)電壓以及一個(gè)時(shí)鐘振蕩器。
I2C串行總線接口允許AD7416/AD7417/AD7418的寄存器重復(fù)擦寫。選擇AD7416/AD7417的三個(gè)最低位地址可以將最多八個(gè)AD7416/AD7417連入一根總線。AD7416/AD7417/AD7418在降低功耗方面有非凡的性能，其自動(dòng)掉電功能可以使芯片在輸出速率較低時(shí)啟動(dòng)掉電模式來降低功耗。
AD7417/AD7418芯片的主要性能如下：
◆ 10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為15μs和30μs；
◆ 采用四通道(AD7417)/單通道(AD7418)模擬輸入；
◆ 片內(nèi)集成溫度傳感器，測量范圍為：-40~+125℃；
◆ 可過溫度提示(OTI)；
◆ 轉(zhuǎn)換結(jié)束后會(huì)自動(dòng)掉電；
◆ 供電范圍寬，2.7～5.5 V均可；
◆ 帶I2C串行總線接口；
◆ 有可選的串行總線地址，可最多允許八個(gè)AD7416/AD7417接入一根總線；
◆ AD7416是LM75非常理想的替代品。
由于AD7416/AD7417/AD7418出色的性能，故可廣泛的應(yīng)用于環(huán)境溫度檢測、工業(yè)過程控制、汽車制造業(yè)、個(gè)人電腦以及一些用電池供電的系統(tǒng)中。AD7416的功能框圖如圖1所示。
引腳與封裝
AD7417具有SIOC和TSSOP兩種封裝(16管腳）；AD7416和AD7418則具有SOIC和MSOP兩種封裝(8管腳)，圖2是其引腳排列圖。AD7417的引腳功能說明如表1所列。AD7416和AD7418的引腳可參考AD7417的相同引腳。
使用說明
◇ 轉(zhuǎn)換說明
AD7417/AD7418的轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換由端口的輸入脈沖觸發(fā)，除了串口既要讀命令又要寫命令以外，其轉(zhuǎn)換時(shí)鐘可由內(nèi)部產(chǎn)生而不需要外加時(shí)鐘。片內(nèi)的追蹤/保持模式具有追蹤和保持功能。轉(zhuǎn)換一般由信號的下降沿觸發(fā)，也可由自動(dòng)轉(zhuǎn)換模式下的每一個(gè)讀操作或?qū)懖僮饔|發(fā)。在后者情況下，內(nèi)部時(shí)鐘(自動(dòng)轉(zhuǎn)換模式時(shí)的時(shí)鐘)將會(huì)在讀寫操作完成后重新啟動(dòng)，大約3μs后追蹤/保持電路轉(zhuǎn)成保持模式并開始模數(shù)轉(zhuǎn)換，15μs或30μs后得到轉(zhuǎn)換結(jié)果(模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為15μs，溫度信號轉(zhuǎn)換為30μs)。通常0通道的轉(zhuǎn)換也需要30μs的時(shí)間。
值得注意的是，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)推薦將所有未用的模擬輸入端連在一起并與GND相連，以避免噪聲拾取和降低功耗。
◇ I2C串行總線接口
I2C串行總線接口的作用是通過連接AD7416/AD7417/AD7418實(shí)現(xiàn)主器件(如處理器)對其的控制。D7416/AD7417/AD7418有七位串口地址，其中高四位設(shè)置為：AD7416－1001,AD7417－0101；低三位則可由用戶自行設(shè)置(A0至A2)，最多連入八個(gè)AD7416/AD7417。當(dāng)連入AD7418時(shí)，高四位也是0101，低三位則全部置零。如果轉(zhuǎn)換運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)串口通訊，那么轉(zhuǎn)換將停止并重新開始通訊。
◇ 過溫度提示(OTI)
過溫度提示用于顯示當(dāng)前溫度是否超出了限定的范圍。輸出有比較和中斷兩種操作模式，可通過配置寄存器的D1位來選擇。
(1) 比較模式
D1＝0時(shí)為比較模式，當(dāng)溫度超過TOTI時(shí)，OTI有輸出，并一直保持直到溫度降到THYST以下。這種模式適用于調(diào)溫裝置中，如對風(fēng)扇的控制等。OTI為開漏輸出，可通過配置寄存器D2位來設(shè)置編程，D2=1表示低電平有效，D2=0表示高電平有效。
(2) 中斷模式
D1=1為中斷模式，當(dāng)溫度超出TOTI時(shí)，OTI顯示，并且不論溫度是否降至THYST以下都一直保持，直至寫操作復(fù)位。此模式下，OTI一旦顯示就被復(fù)位，之后即使溫度再超出TOTI也將不再顯示，直至溫度降至THYST一下后再次激活，同時(shí)一直保持激活狀態(tài)直到被下一次寫操作復(fù)位。兩種模式的比較如圖3所示。
由于OTI是開漏輸出，因此需要外部上拉電阻，此電阻可接于一個(gè)不同于VDD的電壓(如3.3~5 V)。上拉電阻的阻值可根據(jù)使用的場合而定，但要保證足夠大，以避免過大的反向電流使芯片變熱或影響溫度讀數(shù)。能滿足OTI電流輸出的電阻最大值為30kΩ，但如果對輸出電流要求不是很高，還可以再適當(dāng)增大，一般場合10kΩ即可。
◇ 錯(cuò)誤隊(duì)列計(jì)數(shù)器
為了避免噪聲環(huán)境對器件的偽觸發(fā)，可以設(shè)置配置寄存器的D3和D4位以產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤隊(duì)列計(jì)數(shù)器，從而在OTI之前對錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù)(允許個(gè)數(shù)為1、2、4或6個(gè))，這種，只有出現(xiàn)連續(xù)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)滿足設(shè)置時(shí)才觸發(fā)OTI。例如將錯(cuò)誤隊(duì)列計(jì)數(shù)器設(shè)置為4，那么只有當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)4個(gè)高出TOTI的數(shù)值時(shí)才觸發(fā)OTI，而即使連續(xù)出現(xiàn)3個(gè)高出的數(shù)值和1個(gè)正常數(shù)值，OTI都不觸發(fā)。
◇ 上電后的缺省值
AD7416/AD7417/AD7418 上電后，常用的缺省值如下：
◆ 溫度值寄存器為比較模式
◆ TOTI = 80℃
◆ THYST = 75℃
◆ OTI 顯示為低電平
◆ 錯(cuò)誤隊(duì)列計(jì)數(shù)器＝1
◇ 操作模式
AD7416/AD7417/AD7418 有兩種模式，可通過設(shè)置配置寄存器的D0位來實(shí)現(xiàn)。在第一種模式，即模式一時(shí)，一般令D0=0。這種模式下，每400μs發(fā)生一次轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)，器件一部分處于掉電狀態(tài)，消耗電流只有350μA。如果讀操作發(fā)生在轉(zhuǎn)換之中，則轉(zhuǎn)換立即停止并重新開始一個(gè)新的轉(zhuǎn)換，此時(shí)讀到的溫度值為上一次轉(zhuǎn)換的數(shù)值，在新的轉(zhuǎn)換開始之后，下一次的轉(zhuǎn)換還將間隔400μs；當(dāng)讀操作發(fā)生在兩次轉(zhuǎn)換之間時(shí)，轉(zhuǎn)換將立刻被觸發(fā)，并且這次轉(zhuǎn)換之后，將恢復(fù)400μs的轉(zhuǎn)換間隔。
如VDD為3 V，每400μs一個(gè)轉(zhuǎn)換周期，那么，AD7416在一個(gè)周期中轉(zhuǎn)換的時(shí)間為40μs(占周期的10％)，掉電狀態(tài)的時(shí)間為360μs(占一個(gè)周期的90％)，因此，可以算出，由AD7417/AD7418產(chǎn)生的平均功耗為：
3 mW×0.1+1 mW×0.9=1.2 mW
第二種模式：適用于對溫度測量的速率要求不很高(如每秒一次)的場合，系統(tǒng)的功耗可通過使器件在兩次讀操作之間進(jìn)入完全掉電狀態(tài)而進(jìn)一步降低。完全掉電狀態(tài)可通過配置寄存器的D0為1來實(shí)現(xiàn)，此狀態(tài)下的電流只有0.2μA。測量時(shí)，寫操作使器件上電，待完成轉(zhuǎn)換后再恢復(fù)掉電狀態(tài)，掉電時(shí)仍可以進(jìn)行讀數(shù)，因?yàn)镮2C總線仍在工作。此模式下的功耗取決于讀操作的速率。
◇ 轉(zhuǎn)換開始方式
僅將引腳置1即可觸發(fā)轉(zhuǎn)換，一般為低電平有效。上升沿可使系統(tǒng)上電，上電時(shí)間為4μs，當(dāng)為高電平的時(shí)間超過4μs時(shí)，下降沿觸發(fā)轉(zhuǎn)換，追蹤/保持電路進(jìn)入保持模式。而如果高電平時(shí)間小于4μs，則由其上升沿觸發(fā)的內(nèi)部定時(shí)器將保持住追蹤/保持電路，并在定時(shí)結(jié)束后觸發(fā)轉(zhuǎn)換(定時(shí)4μs為上電時(shí)間)。
轉(zhuǎn)換結(jié)束后，輸入仍保持低電平，以使器件進(jìn)入掉電模式?？梢钥闯?，在這種操作方式下，一般為低電平，脈沖的高電平可控制上電和轉(zhuǎn)換開始。圖4表示測量溫度和轉(zhuǎn)換模擬信號時(shí)推薦的脈沖時(shí)序。
◇ 轉(zhuǎn)換速度
AD7416/AD7417/AD7418的最高頻率為2.5 kHz(轉(zhuǎn)換周期400μs)。TOTI和THYST為兩個(gè)字節(jié)，當(dāng)I2C以100 kbit/s的速度讀數(shù)時(shí)，則需270μs，因此，如果溫度讀數(shù)頻率過高，就有可能發(fā)生信號混迭，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤。
應(yīng)用設(shè)計(jì)
圖5為AD7417的典型外部連接電路。
圖中，使用者可以通過A0、A1、A2進(jìn)行地址選擇，以便將最多8個(gè)AD7417接在同一個(gè)串口總線上。REFIN用于連接外部2.5 V基準(zhǔn)電壓。當(dāng)使用外部基準(zhǔn)電壓時(shí)，位在管腳與GND之間連入一10μF的電容器。SDA、SCL則構(gòu)成雙線I2C串行總線接口。