ADS774在烟支重量检测系统的应用

PASSIM卷烟机组是英国莫林斯公司设计的高速卷烟机^［1］。重量检测系统是该卷烟机组中一个独立的闭环系统，他实时检测每支烟的重量，实现对烟支重量控制、烟支剔除、数据显示、故障告警等功能。
检测烟支重量时，首先通过A/D变换器，将反映烟支重量的模拟电信号转换为数字信号，用数字的方式进行处理。因此，为提高烟支检测精度，采用高精度、高分辨率的A/D变换器成为其中的关键技术，他的性能直接影响重量检测性能。
设计中采用12位的ADS774作为A/D变换器，下面对器件、变换电路设计及其工作原理进行详细介绍。

1转换器ADS774简介
ADS774是BURRBROWN（BB）公司设计生产的逐次逼近式模数转换器^［2］，4种可选电压范围输入：0 ～+10 V，0～+20，-5～+5 V和-10～+10 V，12位或8位可选输出，单一+5 V供电。
他采用低功耗COMS工艺和新的电容阵列技术，包含有内部时钟、微处理器接口、三态输出缓冲器以及若干组内部可调阻抗，功耗最大为120 mW，转换时间为t≤8.5 μs。
ADS774有5个输入控制信号和CE），可以与大多数微处理器和其他数字系统直接相连接。
ADS774可以在2种模式下工作：一种是工作过程由微处理器控制，即所谓非独立方式；一种是独立运行工作模式，即通过输入触发信号的采样、保持和转换。在PASSIM重量检测系统设计中，采用的是独立运行模式，其转换过程只受信号控制。
2ADS774 在独立运行模式下的电路设计与工作原理
选择0～+10 V单极性输入，12位输出，独立运行模式，ADS774电路设计见图1所示。
图1中CE，接‘高’状态；A0接‘低’状态，接转换启动脉冲输入。输出状态信号STATUS连接锁存器的LE（锁存使能）端，输出信号则与锁存器输入相连，锁存器的输出可直接连接到微处理器的数据总线。将接高电平，也就是要使12数据同时输出。
端口12（双向调节）与端口9（模拟公共地）相连，以实现单向操作。如果要实现双向操作，可将端口12与端口8（+2.5 V参考）相连或与外部参考电压相连。
根据状态真值表，ADS774的4个逻辑状态CE，和STATUS，当CE为‘高’，为‘低’，为下降沿，STATUS为‘低’同时出现时，ADS774开始启动转换，此时，输出数据总线处于高阻状态。

 当CE为‘高’，为‘低’，为‘高’，STATUS为‘低’时，根据和A0的逻辑状态，分2种情况将有效的数据放到数据总线上。当信号线为高电平时，12位输出线（DB0～DB11）同时有效，A0的变化不起作用；当信号线为低电平时，数据以2个8位字节的形式输出，A0为低电平时，输出高8位有效，当A0为高电平时，输出数据的低4位。
ADS774的设计特点保证了A0的可随时输入，并且不会对转换器造成伤害。8个数据端也可以不同时有效。A0一般由地址线中不重要的位来驱动，输出数据可以存到2个具有连续地址的存储单元中。

图2中，端出现一个低电平时，三态输出门处于高阻状态，转换完毕时，才允许外部器件读取结果。
图3显示，当端出现一个高电平时，前次转换的结果可以从输出端读出。的下降沿启动新的转换，然后，三态输出门重将处于高阻状态，直到下一个低电平出现为止。
信号的下跳沿启动开始转换，在有一正脉冲且状态标志为低时完成转换，然后可在STATUS负脉冲出现时完成输出，或由正脉冲完成输出。在两种情况下，为了使A/DC可靠实现采样保持转换，脉冲的低电平保持时间必须超过25 ns。
3ADS774在烟支重量检测系统中的应用原理
ADS774作为高分辨率的模数转换器，应用在了PASSIM卷烟机组的重量检测系统中，他工作在独立模式下，数据转换只受R/C信号控制，其原理框图如图4所示。





模拟的重量信号为单极性0～10 V输入，A/D转换器在128ECP脉冲信号触发下，完成对模拟信号的采样保持和转换。A/D转换器的12位数据输出，在转换完成之后，由状态信号STATUS进行锁定；锁定输出接微处理器的数据总线，并由微处理器读入内部存储器进行处理。
ECP为同步脉冲信号，一个ECP脉冲对应一支烟。128ECP为ECP频率的128倍，即一支烟对应128个脉冲，也就是说，对每支烟进行128次采样和处理。
ADS774将每支烟的128次重量信号采样值，以12位数字方式送到微处理器，微处理器根据128次采样数据，经过拟合加权处理，计算出一支烟的平均重量。模拟信号是连续的，而数字信号是离散，采样点越增多，拟合出的重量曲线越真实，计算出的重量也越准确，提高采样频率，无疑可以提高处理精度。
ADS774为12位数据输出，他的分辨率可达1/2¹²，精度很高。以每支烟800 mg标准计算，精度可达0.2 mg，因此，可以保证微处理器的的处理精度。
4设计中应注意的问题
ADS774在使用中有一些需要注意的问题：
(1)ADS774的模拟地（9脚）和数字地（15脚）在内部没有连接，在印制板设计中，应用尽可能短的线，分别将这两端与公共地连接起来，将9脚和模拟地连接，将15脚和数字地连接。
如果一个系统的公共地不能明确确定，那么需要将9脚和15脚在ADS774处连接起来，用1根较宽的印制板线将连起来的线引到系统地上。这样可以阻止引起来自输入信号的供电电源的公共返回部分的电压跳变。
(2)ADS774的转换启动由3个逻辑输入端（CE，和）的任何一个跳变决定的。当3个信号中的最后一个到达所需状态时，转换开始，所以3个输入要适时地控制。必要时，3个输入要同时转换状态，不管哪个输入启动转换，都要尽可能地缩短延时。如果想要利用一个信号单独地启动一个转换，则另外2个信号至少要在启动信号转变后的50 ns内保持稳定。
(3)ADS774的状态输出信号STATUS提供了转换器当前的状态。当状态信号为高电平时，器件处在转换中，此时三态输出缓冲器处于高阻状态，无法从输出端读出正确数据。在此期间，输出线上的信号转变将被忽略掉，以免影响转换器的正常工作。
5结语
重量检测是PASSIM卷烟机组电控系统的一个重要部分，重量检测的精度直接影响了烟支质量和生产成本，因此要求高质量的重量检测十分重要。
实践表明，本设计选用高精度ADS774数模转换器，以及对烟支重量信号进行128次采样，极大地提高了采样精度和烟支重量检测精度，在实际工作中取得了良好的经济效益。