高精度AD轉換器的應用

摘 要:該系統是基于Δ－Σ技術的高分辨率24位A/D轉換芯片AD7711A與單片機和PC構成的高精度溫度控制系統。控制過程中對控制變量能進行精確測量，然后通過微型計算機采用PID算法計算出校正量對控制變量進行控制。

關鍵詞:溫度控制PIDΔ－Σ

中圖分類號:TN7文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(a)-0042-01

硫化是橡膠生產和電廠環保中的關鍵環節，整個硫化過程對溫度的要求很高，從室溫升高到設定溫度的超調量不超過±0.3°C，硫化溫度穩定在設定溫度±0.3°C的范圍內。當加料等其它干擾引起的溫度變化時，系統穩定溫度的重建時間要求在45s之內。

1 系統硬件設計

1.1 ADC選擇及其工作原理

因為溫度信號屬于緩慢變化的信號， AD7711A采用了Δ-∑原理，可實現高達24位的分辨率，成為理想的選擇。

AD7711A的內部結構如圖１所示，它包括一個Δ-∑ADC、數字濾波器、可編程放大、時鐘發生器、24位控制/數據/校準寄存器和400μA恒流源。

AD7711A的引腳中A0為寄存器地址選擇，A0置低時選控制寄存器，置高時選數據或自校準寄存器;MODE選擇數據傳輸的時鐘方式(外時鐘或內時鐘);AIN1(+)、AIN(-)、AIN2(+)、AIN2(-)分別為兩路信號的輸入端;SDATA為串行數據的輸出/輸入端;DRDY為A/D轉換完成端，低電平有效;IOUT為400μA恒流源的輸出端，可用作RTD的激勵電流;REFOUT為參考電壓(2.5V輸出端)。

1.2 控制系統的構成

整個硫化溫控系統通過高分辨率的A/D轉換器AD7711A精確測量RTD硫化反應室的溫度，將數字量送入單片機后再經PID調節器反饋控制信息，單片機根據這些信息發出相應的控制命令來控制加熱裝置，從而達到對硫化溫度的精確控制。

2AD7711A與單片機的接口

溫度信號單端輸入，用電橋平衡法測量，另一通道用于測攪拌器的扭矩。P10與A0相連來選擇寄存器，讀寫數據的時鐘信號由P12給出，串行數據由P13讀入或寫出，A/D轉換完成端和INT1相連，當數據轉換完畢后引起單片機的外部中斷，在中斷中調用數據讀取程序，將采集的數據送入單片機中。具體連接如圖2所示。

3 控制策略

本系統的PID調節器采用離散PID算法[2]:

(1)

將式(1)兩邊進行Z變換，得PID調節器的傳遞函數:

式中e(k)——調節器輸入偏差;Kp——對象放大倍數;KI——積分系數;KD——微分系數。

系統的采樣周期T取1.2s，輸出u(k)為加熱器在1.2s采樣時間內的加熱器開啟的時間，單位為ms。假設受控對象硫化室為一階慣性環節串聯純延遲環節，測出被控對象的臨界增益和臨界振蕩周期，用Ziegler-Nicholes法整定PID參數[3]，然后根據實驗調節，求出符合實際的PID調節參數:

KP＝50，KI＝1，KD＝4000

在實際的PID調節中，由于每次采樣周期中U的輸出最大值為1200ms，為防止出現積分飽和，所以在PID調節控制中需要輸出限幅，以及對積分項的分離控制。

4 結論與結果分析

設定的溫度為160℃進入穩態后波動幅度不超過±0.3℃，加料時擾動較少，幅度小于1℃，穩態重建時間＜45s，并且系統的超調量很小，整個系統精度能達到很高的要求。