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)功能及可編程錯誤隊列計數(shù)器，可以對溫度進行精確控制并防止環(huán)境噪聲的偽觸發(fā)。文中重點介紹了這組器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能特點以及應(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、時鐘振蕩器、以及2.5V的基準電壓。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)置的可編程錯誤隊列計數(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)境溫度進行精確測量(精度為±1℃@25℃，超過溫度范圍時的精度為±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)值進行比較來控制。AD7417提供有四個外部電壓輸入端、一個片上溫度傳感器、一個片內(nèi)基準電壓以及一個時鐘振蕩器。
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的三個最低位地址可以將最多八個AD7416/AD7417連入一根總線。AD7416/AD7417/AD7418在降低功耗方面有非凡的性能，其自動掉電功能可以使芯片在輸出速率較低時啟動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)束后會自動掉電；
◆ 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)換時鐘可由內(nèi)部產(chǎn)生而不需要外加時鐘。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)，也可由自動轉(zhuǎn)換模式下的每一個讀操作或?qū)懖僮饔|發(fā)。在后者情況下，內(nèi)部時鐘(自動轉(zhuǎn)換模式時的時鐘)將會在讀寫操作完成后重新啟動，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的時間。
值得注意的是，設(shè)計時應(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AD7416/AD7417。當連入AD7418時，高四位也是0101，低三位則全部置零。如果轉(zhuǎn)換運行時出現(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時為比較模式，當溫度超過TOTI時，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，當溫度超出TOTI時，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，還可以再適當增大，一般場合10kΩ即可。
◇ 錯誤隊列計數(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)生一個錯誤隊列計數(shù)器，從而在OTI之前對錯誤數(shù)據(jù)進行計數(shù)(允許個數(shù)為1、2、4或6個)，這種，只有出現(xiàn)連續(xù)錯誤數(shù)據(jù)的個數(shù)滿足設(shè)置時才觸發(fā)OTI。例如將錯誤隊列計數(shù)器設(shè)置為4，那么只有當連續(xù)出現(xiàn)4個高出TOTI的數(shù)值時才觸發(fā)OTI，而即使連續(xù)出現(xiàn)3個高出的數(shù)值和1個正常數(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
◆ 錯誤隊列計數(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位來實現(xiàn)。在第一種模式，即模式一時，一般令D0=0。這種模式下，每400μs發(fā)生一次轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時，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新的轉(zhuǎn)換，此時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；當讀操作發(fā)生在兩次轉(zhuǎn)換之間時，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一個轉(zhuǎn)換周期，那么，AD7416在一個周期中轉(zhuǎn)換的時間為40μs(占周期的10％)，掉電狀態(tài)的時間為360μs(占一個周期的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入完全掉電狀態(tài)而進一步降低。完全掉電狀態(tài)可通過配置寄存器的D0為1來實現(xiàn)，此狀態(tài)下的電流只有0.2μA。測量時，寫操作使器件上電，待完成轉(zhuǎn)換后再恢復(fù)掉電狀態(tài)，掉電時仍可以進行讀數(shù)，因為I2C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，上電時間為4μs，當為高電平的時間超過4μs時，下降沿觸發(fā)轉(zhuǎn)換，追蹤/保持電路進入保持模式。而如果高電平時間小于4μs，則由其上升沿觸發(fā)的內(nèi)部定時器將保持住追蹤/保持電路，并在定時結(jié)束后觸發(fā)轉(zhuǎn)換(定時4μs為上電時間)。
轉(zhuǎn)換結(jié)束后，輸入仍保持低電平，以使器件進入掉電模式?？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)換模擬信號時推薦的脈沖時序。
◇ 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為兩個字節(jié)，當I2C以100 kbit/s的速度讀數(shù)時，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)生錯誤。
應(yīng)用設(shè)計
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進行地址選擇，以便將最多8個AD7417接在同一個串口總線上。REFIN用于連接外部2.5 V基準電壓。當使用外部基準電壓時，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。