ADS774在煙支重量檢測系統的應用

PASSIM卷煙機組是英國莫林斯公司設計的高速卷煙機^［1］。重量檢測系統是該卷煙機組中一個獨立的閉環系統，他實時檢測每支煙的重量，實現對煙支重量控制、煙支剔除、數據顯示、故障告警等功能。
檢測煙支重量時，首先通過A/D變換器，將反映煙支重量的模擬電信號轉換為數字信號，用數字的方式進行處理。因此，為提高煙支檢測精度，采用高精度、高分辨率的A/D變換器成為其中的關鍵技術，他的性能直接影響重量檢測性能。
設計中采用12位的ADS774作為A/D變換器，下面對器件、變換電路設計及其工作原理進行詳細介紹。

1轉換器ADS774簡介
ADS774是BURRBROWN（BB）公司設計生產的逐次逼近式模數轉換器^［2］，4種可選電壓范圍輸入：0 ～+10 V，0～+20，-5～+5 V和-10～+10 V，12位或8位可選輸出，單一+5 V供電。
他采用低功耗COMS工藝和新的電容陣列技術，包含有內部時鐘、微處理器接口、三態輸出緩沖器以及若干組內部可調阻抗，功耗最大為120 mW，轉換時間為t≤8.5 μs。
ADS774有5個輸入控制信號和CE），可以與大多數微處理器和其他數字系統直接相連接。
ADS774可以在2種模式下工作：一種是工作過程由微處理器控制，即所謂非獨立方式；一種是獨立運行工作模式，即通過輸入觸發信號的采樣、保持和轉換。在PASSIM重量檢測系統設計中，采用的是獨立運行模式，其轉換過程只受信號控制。
2ADS774 在獨立運行模式下的電路設計與工作原理
選擇0～+10 V單極性輸入，12位輸出，獨立運行模式，ADS774電路設計見圖1所示。
圖1中CE，接‘高’狀態；A0接‘低’狀態，接轉換啟動脈沖輸入。輸出狀態信號STATUS連接鎖存器的LE（鎖存使能）端，輸出信號則與鎖存器輸入相連，鎖存器的輸出可直接連接到微處理器的數據總線。將接高電平，也就是要使12數據同時輸出。
端口12（雙向調節）與端口9（模擬公共地）相連，以實現單向操作。如果要實現雙向操作，可將端口12與端口8（+2.5 V參考）相連或與外部參考電壓相連。
根據狀態真值表，ADS774的4個邏輯狀態CE，和STATUS，當CE為‘高’，為‘低’，為下降沿，STATUS為‘低’同時出現時，ADS774開始啟動轉換，此時，輸出數據總線處于高阻狀態。

 當CE為‘高’，為‘低’，為‘高’，STATUS為‘低’時，根據和A0的邏輯狀態，分2種情況將有效的數據放到數據總線上。當信號線為高電平時，12位輸出線（DB0～DB11）同時有效，A0的變化不起作用；當信號線為低電平時，數據以2個8位字節的形式輸出，A0為低電平時，輸出高8位有效，當A0為高電平時，輸出數據的低4位。
ADS774的設計特點保證了A0的可隨時輸入，并且不會對轉換器造成傷害。8個數據端也可以不同時有效。A0一般由地址線中不重要的位來驅動，輸出數據可以存到2個具有連續地址的存儲單元中。

圖2中，端出現一個低電平時，三態輸出門處于高阻狀態，轉換完畢時，才允許外部器件讀取結果。
圖3顯示，當端出現一個高電平時，前次轉換的結果可以從輸出端讀出。的下降沿啟動新的轉換，然后，三態輸出門重將處于高阻狀態，直到下一個低電平出現為止。
信號的下跳沿啟動開始轉換，在有一正脈沖且狀態標志為低時完成轉換，然后可在STATUS負脈沖出現時完成輸出，或由正脈沖完成輸出。在兩種情況下，為了使A/DC可靠實現采樣保持轉換，脈沖的低電平保持時間必須超過25 ns。
3ADS774在煙支重量檢測系統中的應用原理
ADS774作為高分辨率的模數轉換器，應用在了PASSIM卷煙機組的重量檢測系統中，他工作在獨立模式下，數據轉換只受R/C信號控制，其原理框圖如圖4所示。

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模擬的重量信號為單極性0～10 V輸入，A/D轉換器在128ECP脈沖信號觸發下，完成對模擬信號的采樣保持和轉換。A/D轉換器的12位數據輸出，在轉換完成之后，由狀態信號STATUS進行鎖定；鎖定輸出接微處理器的數據總線，并由微處理器讀入內部存儲器進行處理。
ECP為同步脈沖信號，一個ECP脈沖對應一支煙。128ECP為ECP頻率的128倍，即一支煙對應128個脈沖，也就是說，對每支煙進行128次采樣和處理。
ADS774將每支煙的128次重量信號采樣值，以12位數字方式送到微處理器，微處理器根據128次采樣數據，經過擬合加權處理，計算出一支煙的平均重量。模擬信號是連續的，而數字信號是離散，采樣點越增多，擬合出的重量曲線越真實，計算出的重量也越準確，提高采樣頻率，無疑可以提高處理精度。
ADS774為12位數據輸出，他的分辨率可達1/2¹²，精度很高。以每支煙800 mg標準計算，精度可達0.2 mg，因此，可以保證微處理器的的處理精度。
4設計中應注意的問題
ADS774在使用中有一些需要注意的問題：
(1)ADS774的模擬地（9腳）和數字地（15腳）在內部沒有連接，在印制板設計中，應用盡可能短的線，分別將這兩端與公共地連接起來，將9腳和模擬地連接，將15腳和數字地連接。
如果一個系統的公共地不能明確確定，那么需要將9腳和15腳在ADS774處連接起來，用1根較寬的印制板線將連起來的線引到系統地上。這樣可以阻止引起來自輸入信號的供電電源的公共返回部分的電壓跳變。
(2)ADS774的轉換啟動由3個邏輯輸入端（CE，和）的任何一個跳變決定的。當3個信號中的最后一個到達所需狀態時，轉換開始，所以3個輸入要適時地控制。必要時，3個輸入要同時轉換狀態，不管哪個輸入啟動轉換，都要盡可能地縮短延時。如果想要利用一個信號單獨地啟動一個轉換，則另外2個信號至少要在啟動信號轉變后的50 ns內保持穩定。
(3)ADS774的狀態輸出信號STATUS提供了轉換器當前的狀態。當狀態信號為高電平時，器件處在轉換中，此時三態輸出緩沖器處于高阻狀態，無法從輸出端讀出正確數據。在此期間，輸出線上的信號轉變將被忽略掉，以免影響轉換器的正常工作。
5結語
重量檢測是PASSIM卷煙機組電控系統的一個重要部分，重量檢測的精度直接影響了煙支質量和生產成本，因此要求高質量的重量檢測十分重要。
實踐表明，本設計選用高精度ADS774數模轉換器，以及對煙支重量信號進行128次采樣，極大地提高了采樣精度和煙支重量檢測精度，在實際工作中取得了良好的經濟效益。