4章AD7417的电路结构、工作原理及性能

1、AD7417的电路结构、工作原理及性能电路结构图2-11是AD7417的电路结构和原理框图，这是一个片上系统，就是说图2-11的电路系统集成在一个芯片上。AD7417的引脚由图2-11可以看出，电路系统封装后有16个引脚。我们知道，任何器件的电路都不是暴漏在空气中，而是用一种绝缘材料把它封装成各种形状的电路器件，为了和外部其它电路器件相连接，封装好的电路器件一般都留有接口（或引线）称为为引脚。AD7417留有16个引脚,标注。下面是这些引脚的名称和作用：或引线），习惯上把电路器件留有的接口这些引脚都有其名称，并在器件上用符号Udd0传感器通道。UlNl转换器(MUX)逐步逼近式A/D通道1工t

2、tY通道图2-11AD7417电路结构及原理框图超温.数宇寄存器比较器U-U是传感器信号的输入端口，用于与外部传感器相连接。U为基准电压输入端，IN1IN4REF用于与外部2.5伏基准电压相连接。C0NVST为控制信号输入端，用于输入A/D转换器的控制信号。A/D转换是以CONVST端输入信号的上升沿作为开启信号，以CONVST端输入信号的下降沿作为结束信号。AA为地址码输入端，用于输入主机发送的地址码。02SDA为串行数据端，SCL为串行时钟端。OTI为超温报警输出端，用于与报警器相连接。U为电源端，用于与外部2.7-5.5伏的电源相连接。GND是接地端口，用于与地线相连DD接。NC为空脚，

3、即暂时没有什么作用，或待芯片功能扩展时使用。在以上介绍的AD7417的16个引脚中，有两个外电源输入端：U和U。U是基准REFDDREF电压输入端，所谓基准电压是指已知数值的准确电压oAD7417的U端，要求输入的电压值REF是2.5伏，相比之下，U端允许输入电压有一个波动范围。DD图2-12CONVST信号波形示意图图2-12是CONVST端输入信号的波形示意图，图中的上升沿是A/D转换的开启信号，下降沿是A/D转换的结束信号。图2-11中的A/D转换器就是由CONVST端的输入信号进行控制的。图2-12中，t表示时间。AD7417的电路系统图2-11大方框内是AD7417的电路系统，按功能

4、可将其划分为9个部分：内置温度传感器；2.5伏基准电压源；多路转换器（MUX）；逐次逼近式A/D转换器；内外基准电压转换开关（SWJ；超温寄存器；数字比较器；数据输出电路；12C接口。多路转换器也叫多路模拟开关MUX（Multiplexer），其作用是将多个传感器输入的多路模拟信号，轮流与A/D转换器接通，使一个A/D转换器能完成多路模拟信号的转换。我们知道，一个A/D转换器只能转换一路模拟信号，但是通过多路转换器，一个A/D转换器就能转换多路模拟信号。A/D转换器的作用是将模拟信号转换成数字信号，所谓逐次逼近式是指实现A/D转换的方式（或工作原理）。根据A/D转换过程的方式不同，A/D转换器

5、有多种类型，除逐次逼近式A/D转换器外，还有并联比较式、反馈比较式、双积分式、电压-频率变换式等。图2-11中的逐次逼近式A/D转换器，其内部结构比较复杂，由取样电容、电荷平衡比较器、时钟振动器、控制逻辑和电荷分配式DAC等多个电路系统组成，我们这里就不作介绍了。比较器是一种运算电路，它是将输入的电压信号与基准电压相比较，然后输出比较结果。所谓数字比较器，是指比较器是一种数字电路，而输入比较器的信号是数字信号。数字比较器能对两个位数相同的二进制数进行比较，然后输出比较结果。12C接口用于芯片间的数据传输，现已广泛运用在多种单片机应用系统中。12C总线是一种串行数据总线，只有两条信号线：一条是双

6、向的数据线SDA），另一条是时钟线（SCL）各种符合12C总线技术的器件都可以连接在这两条线上，并且每个器件都有唯一的地址。12C接口通过串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL），在连接到总线上的器件之间传送信息，并通过软件寻址识别每个器件。工作原理通过以上对电路结构的介绍，我们对AD7417电路的工作原理也就比较容易理解了。图2-11是其电路结构框图，也是其工作原理图。由图2-11可以看出其工作原理是：温度传感器采集温度信号并将其转换成电压信号，电压信号通过各自的模拟通道输入到多路转换器（或多路模拟开关）。多路转换器将多个传感器输入的电压信号轮流与A/D转换器接通，在CONVST信号的控制

7、下，模拟电压信号经过A/D转换器转变成数字信号。超温寄存器存储着测温范围的最大值，A/D转换器输出的数据与其进行比较（在数字比较器中），若大于最大值，则通过OTI端口输出报警信号；若A/D转换器输出的数据小于最大值，则其数据输入12C接口。12C接口通过串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL），在连接到总线上的器件之间传输数据，以实现对数据的分析和进一步处理；以实现对数据的显示、记录及对其它设备和器件的控制；以及实现远程检测等。上面我们介绍了热电偶，AD7417可采用热电偶作为它的传感器，构成AD7417型5通道温度传感器。所谓通道，就是输送传感器信号的通路。通过图2-11我们可以看到AD7

8、417有5个通道。AD7417的性能AD7417为5通道器件，AD7417型温度传感器能同时对4路远程温度和1路本地温度进行精确测量和控制，芯片内置的本地传感器就作为多路转换器的第0号通道，1-4号通道需接外部远程传感器。测温范围和测量精度需根据所采用的温度传感器的测温范围和精度确定。AD7417采用123总线接口，适配80C51、87C51、68HC11、68HC05、PIC16CXX等型号的单片机，其串行接口遵守Motorola公司的SPI、QSPI总线协议，并与NSC公司的MicroWire总线兼容。具有内部故障和超温指示功能，能有效地提咼系统测量的准确性。电源电压范围为2.7-5.5V

9、，正常工作电流为600MA，在待机模式下电流为1MA。AD7417型智能温度传感器AD7417型温度传感器配上微处理器或单片机，就可构成了AD7417型智能温度传感器。图2-13是其电路原理图。图2-13AD7417型智能温度传感器电路图退耦电容和高频消噪电容在电源和芯片之间，连有电容：Cl、C2和C3。其中C1和C3的容值为10pF，其作用是电源退耦。电源退耦表示：当芯片瞬间电流发生变化时，需要瞬间从电源获取较大电流，该瞬间电流可导致电源电压降低，从而对电路造成干扰。为了降低这种干扰，需要在芯片与电源之间设置一个能提供较大电流的器件，这就是图中的电容C1和C3。C2的作用是消除高频噪声，其电

10、容值为0.1pF。根据电容的阻抗-频率特性可知，当频率低于谐振频率时，主要为电容效应，此时频率越高电容的阻抗越小；当频率高于谐振频率时，电感效应变大，此时频率越高电容的阻抗越大。容量为0.1PF的电容，一般为陶瓷电容或云母电容，这种电容的电感效应小，谐振频率高，因此对高频信号阻抗小，能够把电源的高频信号滤除掉。大电容由于容量大，所以体积一般也比较大，且通常使用多层卷绕的方式制作，这就导致了大电容的分布电感比较大。电感对高频信号的阻抗很大，所以大电容的高频性能不好。而一些小容量电容的性能恰恰相反，具有很好的高频性能，但是对低频信号的阻抗增大。因此一般在电路中，把容量大的电容器用作电源退耦，把容量

11、小的电容器用来消除高频噪声。芯片引脚的作用模拟通道端口U-U用来连接外部传感器。U是外基准电源输入端，外基准电源一般IN1IN4REF选用AD780或MC1403型2.5V基准电压源。SDA和SCL构成了EC总线串行接口。CONVST为控制信号输入端，用于输入A/D转换器的控制信号；OTI为超温报警端；AA为地02址码输入端。单片机单片机的概念微处理器一般采用单片机。单片机是单片微型计算机的简称，它是大规模集成电路技术发展的产物，属于第四代电子计算机。它把中央处理器(CentralProcessingUnit,CPU)、随机存取存储器(RandomAccessMemory,RAM)、只读存储器

12、(ReadOnlyMemory,R0M)、定时器/计数器以及I/O接口电路等主要计算机部件集成在一块集成电路芯片上。单片机具有高性能、高速度、体积小、价格低、稳定性好、应用广泛等特点。把单片机应用到传感器技术中，大大提高了传感器技术的现代化水平。单片机的构成单片机也是由硬件系统和软件系统构成。单片机的硬件系统是由运算器、控制器、存储器、输入/输出设备5部分组成，只不过这5部分被集成在一个尺寸有限的芯片上。单片机的软件系统比较简单，只有监控程序和目标码的应用程序。首先，单片机的系统管理没有微型机那样复杂的操作系统，而只使用简单的监控程序，因此监控程序就成为单片机中最重要的系统软件。其次，大多数单

13、片机不使用高级语言，因此也没有必要配置程序设计语言。单片机中通常使用的是汇编语言，但单片机并没有自己专用的汇编程序，用户的应用程序是在其他微型计算机上通过交叉汇编方法得到的二进制目标码。因此，在单片机软件系统中，只有监控程序和目标码的应用程序。MCS-51单片机虽然单片机种类繁多，但使用最为广泛的是MCS-51单片机。表2-1列出了MCS-51单片机系列的芯片型号及其技术性能指标，由此可对单片机的基本情况有一个概括的了解。由表2-1可以看出，MCS-51系列分成51和52两个子系列，其中：51子系列是基本型,52子系列属增强型。从表中可以看出52子系列功能增强的具体方面：片内ROM容量从4KB

14、增加到8KB。片内RAM容量从128B增加到256B。定时器/计数器从2个增加到3个。中断源从5个增加到6个。表2-1MCS-51系列单片机芯片型号及性能指标子系列片內ROM形式片內ROM容量片內RAM容量lI/O特性中断源无ROMEFRDM定时器计数器并行口串行口51子系8031805187514KB128B2X64KB2X164X81580C3：80C587C5.4KB128B2K64KB2X164/81552干系列8032805287528KB256B2K64KB3K164/816J0C3280C587C5；:8KB256B2X.64KB3X164/816在表2-1中，芯片型号有带字母“

15、C”的，有不带的，其含义是什么。我们知道MCS-51系列单片机采用两种半导体生产工艺：一种是HMOS工艺；另一种是CHMOS工艺。表2-1芯片型号中凡带有字母“C”的为采用CHMOS工艺制作的芯片，简称CHMOS芯片；其余均为HMOS芯片。CHMOS工艺是CMOS和HMOS两种工艺的结合，除保持了HMOS芯片高速度和高密度的特点之外，还具有CMOS低功耗的特点。例如，8051芯片的功耗为630mW，而80C51的功耗只有120mW。MCS-51单片机片内程序存储器有3种配置形式，即：掩膜ROM、EPROM和无。这3种配置形式对应着3种不同的单片机芯片，它们各有特点，也各有其适用场合，在使用时应

16、根据需要进行选择。单片机的抗干扰特性和稳定特性此外，再顺便说一下单片机的环境适应问题，主要是指单片机的抗干扰特性和温度特性。单片机具有很强的抗干扰能力，这是其它计算机所不能相比的，但是单片机对环境温度的适应，划分了3个等级：民用级：0至70OC.工业级：-40至125OC。军用级：-65至125OC。因此，在使用中应该根据现场温度选择芯片。2.4微型传感器2.4.1微型传感器的基本概念微型传感器主要是指其敏感元件很小，敏感元件的尺寸一般在0.1-100m之间。然而，微型传感器并不是传统传感器单纯体积上的缩小，而是在理论、结构、制作等方面，都有其自身的规律。下面我们首先介绍一下微型传感器的一些基

17、本概念。1.微电子与微传感器微电子技术起源于1948年第一只晶体管的出现，而之后不久研制的双极结型晶体管(BJT)和结型场效应管(JFET)仍是目前微电子器件的核心单元。然而，真正意义上的微电子技术起源于集成电路芯片的出现。微电子技术与微电子器件近几年来，随着硅加工工艺的不断进步，使得器件的尺寸不断缩小，现在最小的尺寸约在200nm左右。这样在同一芯片上可集成的晶体管越来越多，现在在一块芯片上可集成上亿只晶体管。正是这种集成度的快速发展，才使的集成电路，尤其是微型计算机，成为了现代传感器的重要组成部分。微电子加工技术，用于制作各种微电子器件。常见的微电子器件包括运算放大器、逻辑门电路、微处理器

18、等。具体到测量和控制方面，微电子技术的发展直接导致了信号处理芯片功能的提升和价格的下降。我们知道，信号处理是测控电路重要组成部分，与信号处理芯片相比，传感器的发展要相对滞后。传感器不仅体积庞大，而且性价比相对较低。基于这种现实，人们开始将微电子技术应用于硅传感器的研究，因而出现了微型传感器。微型传感器微型传感器可以认为是利用微加工技术，尤其是硅加工工艺制作出的传感器。虽然微型传感器已得到了深入的研究和广泛的应用，但是目前对微型传感器的定义还没有一个统一的认识。不过一般说来，微型传感器的概念包含以下三方面的含义：微型传感器是单一的敏感元件，它的一个显著特点就是尺寸小。敏感元件的尺寸从毫米级到微米

19、级，有的甚至达到纳米级。尺寸小自然是微型传感器的重要特征，但是并不是微型传感器的全部尺寸都很小，而是指它的某一个物理尺寸；有人提出：至少有一个物理尺寸在毫米量级以下的传感器就为微型传感器。微型传感器是一个集成的传感器，它将敏感元件、信号处理器、数据处理装置封装在一块芯片上。微型传感器中还包括微执行器，可以独立工作。所谓执行器，它是接收控制信息并对受控对象施加控制作用的装置。微型传感器主要具有以下特点：体积小，重量轻。微型传感器敏感元件的尺寸一般在微米量级，整个传感器封装后的尺寸也大多为毫米量级，有的甚至更小，这样可以进行某些特殊场合的测量。例如，微型压力传感器已经可以放进注射针头内，依靠注射器

20、把它送进血管里，测量血液流动情况；也可以把它装载到发动机叶片表面，用来测量气体的流速和压力。微型传感器的重量一般在几克到几十克之间。能耗低。传感器微型化使性能得到了很大提高。例如，几何尺寸的微型化提高了温度的稳定性，使传感器受外界温度的影响减小。易于批量生产，成本低。微型传感器的敏感元件是利用硅微加工工艺制作的，这种工艺的一个显著特点就是适合批量生产。大批量生产使得微型传感器的生产成本大大降低。便于集成化和多功能化。微型传感器的集成化一般包含三方面的含义：其一是将微型传感器与后级电路集成在一起。后级电路是指对传感器信号进行分析、处理的电路，一般包括放大电路、运算电路以及温度补偿电路等。其二是将

21、同一类的传感器集成在同一个芯片上，构成阵列式微传感器。其三是将几个微型传感器集成在一起，构成一种新的微型传感器。微型传感器的多功能化是指经过集成的微型传感器，能感知和转换两种以上不同的物理量。例如，在同一硅片上可以同时制作压力传感器和温度传感器；现已制作出可同时检测几种离子的微传感器阵列。可提高测试系统智能化水平。微型传感器的研究不仅直接导致了量子电子学、微机电系统、功能材料、特殊测量仪器（如微摄像机、微X光机等）、生物传感器以及无线传感器的飞速发展，而且带来了仪器构成方式的革命性进步。敏感器件的微型化及阵列化，使得一个测试系统中的敏感元件的数量可以越来越多；并且通过计算、通信资源的共享，使得

22、测试系统的智能化水平越来越高。微机电系统微机械电子系统简称为微机电系统（MEMS），在日本称为微机械，在欧洲称为微系统。微机电系统是微机械基本部分和电子集成线路组成的微机电器件和装置。微机械基本部分包括：微型传感器、微型执行器、微型能源等。微机电系统将传感器、信号处理电路和执行器一体化地集成在一个器件上。传感器获取被测对象的信息，信号处理电路对获取的信息进行处理，执行器按照信息处理的结果进行响应性操作。微机电系统把信息系统的微型化、多功能化、智能化提高到了新的高度，微机电系统产品已在工业过程控制、通信、计算机、机器人环境监测、飞机、汽车等领域得到了广泛地应用。信息系统的微型化不仅使系统体积大大

23、减小，功能大大提高，同时也使性能、可靠性大幅度提升，功耗和价格大幅度降低。具体说，推动微机电系统进步的动力主要有如下三个：以集成电路为中心的微电子学的飞速发展为微机电系统的进步提供了基础技术。在过去的几年中，集成电路的发展遵循着每3年集成电路征特尺寸减小0.725倍，集成度翻一番的规律。专家预计在今后的一段时间内仍将持续这个规律。目前，集成电路工艺已进入超深亚微米阶段，并可望到2012年达到0.05微米，即进入纳米阶段。微电子和微机械的巧妙结合实现了微机电系统。硅各向异性刻蚀技术、硅/硅键合技术、表面微机械技术、X射线深度光刻、微电铸和微塑铸技术等，已成为生产微机电系统的核心技术。尤其是X射线

24、深度光刻、微电铸和微塑铸技术，成功地解决了高深宽比光刻技术的难题，为研制三维结构的微型加速度传感器、微执行器等奠定了技术基础。新材料、微机械理论和加工技术的进步，使得单片微机电系统正在变为现实。总的说来，微机电系统的发展是多学科、多种技术推动的结果，同时微机电系统的进步又带动着多学科、多种技术的发展。微器件的相关理论和技术尺寸的减小是微机电系统的一个重要特征，但是随着尺寸的缩小，物质的一些宏观特性也发生了变化。很多原来在普通尺寸下适用的理论也随之发生了改变。因此，微机电系统的研究涉及到多种基础理论的研究，包括:微机械学、微电子学、微流体力学、微热学、微摩擦学等。微机械学主要是在微观的范围内，以

25、力学、机械特性等为基础研究内容，其主要研究对象是微器件。微电子学是在“半导体物理与器件”的基础上形成的一门涉及固体物理、器件、电子学三个领域的新学科。微电子学研究的中心问题是集成电路与芯片的设计、制作。微流体力学主要是研究流体在微观领域的运动过程中，由于受到尺寸效应的的影响而产生的变化。微热学主要是研究微机电系统所用材料由于受尺寸效应的影响，其导热率、材料密度及热容的变化情况。微摩擦学主要是研究微米以下尺寸的相对运动界面的摩擦、磨损、润滑性能和机理，通常也称为分子摩擦学或纳米摩擦学。微机电系统的实现也需要多种技术的综合，这些技术主要有：设计技术、材料技术、微加工技术、微检测技术、集成与控制技术

26、等。设计技术设计技术主要是微机电系统设计方法的研究。目前，在微机电系统的设计中，主要有自底向上设计、自顶向下设计和中间相遇设计等方法。每种设计方法都有其自身的优点和缺点。计算机辅助设计（CAD）是微机电系统设计的主要发展方向。虽然在机械设计和电子设计方面都有许多成熟的CAD系统,但宏观尺度的CAD系统对微机电系统设计而言是不适用的。由于CAD系统对微机电系统的设计至关重要，所以许多研究机构开展了针对微机电系统的计算机辅助设计（CAD）研究。目前，已开发出一些较为完整的通用的或专用的CAD系统，这些系统在微机电系统的研究和产品开发上发挥了重要的作用。其中比较有代表性的CAD系统有美国麻省理工大学

27、开发的MEMCAD，密歇根大学开发的CAEMEMS，瑞士联邦技术研究所开发的SOLIDIS等。我国在这方面的研究起步较晚，但在国家一系列科研计划的支持下，也开展了一些研究。例如，在国家“973”计划资助下，北京大学、东南大学、南开大学等联合开展了“微系统设计方法、建模、数据库和仿真”等问题的研究，目前已经建立了一个具有版图设计、工艺模拟、性能分析等功能的计算机辅助设计系统。材料技术在微机电系统中，材料起着重要的作用。一方面，材料具有几何成形的作用；另一方面，材料的特性对于微机电系统的性能又起着决定性的作用。因此，要求用于微机电系统的材料既要保证微机电系统的性能，又必须满足微机电系统加工工艺的的

28、要求。一般说来，微机电系统所用的材料按性质可分为两类，即结构材料和功能材料。结构材料是指具有一定机械强度，用于构造微机电器件结构基体的材料，如硅晶体等。功能材料是指具有特定功能的材料，如压电材料、光敏材料等。微加工技术微加工技术是微机电系统中的核心技术，也是微机电系统技术研究中最活跃的领域。由于微型传感器中使用最多的材料是硅，所以对硅的微加工是微机电系统加工中的重要组成部分；常用的微加工技术主要有以下几种：硅的刻蚀技术刻蚀，也称为腐蚀，是一种对材料的某些部分进行有选择去除的工艺。在微机电系统中，刻蚀主要是利用化学腐蚀液或惰性气体来对硅基材料的某些部分进行有选择的去除，以形成所需的结构构型。采用

29、化学腐蚀液的称为化学刻蚀，也叫湿法刻蚀；采用惰性气体的称为离子刻蚀，也叫干法刻蚀。由于化学刻蚀操作简单，并可以较好地控制刻蚀的结构轮廓，所以实际中常采用化学刻蚀法。表面膜的加工工艺表面膜的加工工艺是微型传感器技术中最基础的工艺。可以说，没有表面膜，就没有微型传感器。表面膜加工工艺可分为厚膜工艺与薄膜工艺两类。*厚膜工艺厚膜工艺采用的是一种膏剂，这种膏剂是把金属微粒（直径约为5微米）均匀分布在有机溶剂中制作而成。根据金属微粒在膏剂中含量的多少，这种膏剂可分为导电型和电阻型。把这种膏剂和固化剂按一定比例混合，通过丝网印刷技术制作到基片上，便形成厚膜，其厚度约为10-25微米。厚膜工艺在微型传感器中主要有三方面的应用：首先，厚膜工艺可用于微型传感器信号调理电路的集成，有利于实现微型传感器信号调理电路的批量生产，降低微型传感器的整机成本。其次，厚膜可把信号调理电路和传感器集成在同一个封装内，不仅有利于微型传感器的小型化，而且提高了系统的可靠性。此外，厚膜还可用作微型传感器的支撑结构。压力微型传感器是厚膜技术在微型传感器领域最成功的应用。*薄膜工艺从字面上理解，似乎厚膜与薄膜