王小波 趙兆 梁春苗

(煤炭科學(xué)研究總院西安研究院 陜西西安 710054)

1 引言

在地震檢波器的設(shè)計(jì)中,研發(fā)人員對(duì)于模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度要求越來(lái)越高,為了能獲得高分辨率的振動(dòng)信號(hào),要求信號(hào)采集系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍大,這對(duì)檢波器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出了很高的要求。積分型、逐次逼近型和直接比較型A/D轉(zhuǎn)換器很難達(dá)到高動(dòng)態(tài)范圍。傳統(tǒng)的Nyquist率A/D轉(zhuǎn)換器很難實(shí)現(xiàn)16位以上分辨率,在新一代地震檢波器中多采用高分辨率的24位∑△A/D轉(zhuǎn)換器。

∑△型A/D轉(zhuǎn)換器是高性能新型結(jié)構(gòu)的A/D轉(zhuǎn)換器。不同于傳統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器,它不是直接根據(jù)采樣數(shù)據(jù)對(duì)每一個(gè)采樣值的大小進(jìn)行量化編碼,而是以很低的采樣分辨率(1位)和很高的采樣速度將模擬信號(hào)數(shù)字化,通過(guò)使用過(guò)采樣、反饋和數(shù)字濾波等技術(shù)方法增加有效分辨率,然后對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行采樣抽取處理以降低有效采樣速率,實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。A/D的選用一般有兩種方案;套片方案的特點(diǎn):(1)套片的設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單,但外圍電路復(fù)雜;(2)成本高,有上千元的差價(jià);(3)生產(chǎn)周期長(zhǎng)一些,因?yàn)樵摲桨钢猩婕暗降暮芏嘈酒┴浿芷诖蠖?～7周。本設(shè)計(jì)方案綜合考慮各種因素,選用ADS1255轉(zhuǎn)換器。

2 ADS1255概述

ADS1255是德州儀器(TI)推出的是一款高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,也是德州儀器公司重點(diǎn)推薦的地震勘探專用 A/D轉(zhuǎn)換器,是由模擬多路開(kāi)關(guān)(MUX)、輸入緩沖器(BU F),可編程增益放大器(PGA)、四階∑△調(diào)制器再加一個(gè)可編程數(shù)字濾波器組成。適用于包括科學(xué)儀器、測(cè)試與測(cè)量、地震探測(cè)、工業(yè)過(guò)程控制、醫(yī)療設(shè)備等要求苛刻的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。

ADS1255分別采用SSOP-20封裝,主要特點(diǎn)如下:

(1)24位無(wú)數(shù)據(jù)丟失;

(2)低非線性度:士0.0010%;

(3)高達(dá)23位的無(wú)噪聲分辨率;

(4)數(shù)據(jù)輸出率最大30kSPS;

(5)可配置為2路單極輸入或1路差動(dòng)輸入;

(6)模擬多路開(kāi)關(guān)具有傳感器檢測(cè)功能;

(7)輸入緩沖器;

(8)具有低噪聲可編程增益放大器,PGA=1時(shí),可提供高到25.3位有效分辨率;PGA=64時(shí),可提供高達(dá)22.5位有效分辨率,并且所有的 PGA具有自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn);

(9)帶有串行外設(shè)接口(SPI);

(10)可編程數(shù)字濾波器;

(11)模擬電壓輸入5V,數(shù)字電壓輸入1.8～3.6V;

(12)正常模式電源消耗38mW,備用模式電源消耗0.4mW。

2.1 ADS1255的結(jié)構(gòu)原理及寄存器功能

主要由模擬多路開(kāi)關(guān)和傳感器檢測(cè)、輸入緩沖器、可編程增益放大器、四階∑△調(diào)制器、可編程數(shù)字濾波器、時(shí)鐘發(fā)生器、控制器和串行SPI接口、通用數(shù)字I/O等組成。由于ADS1255提供3路模擬輸入端,模擬多路開(kāi)關(guān)寄存器可將其配置為1路差動(dòng)輸入或者2路單極輸入。默認(rèn)情況下,ADS1255為差動(dòng)輸入,通道0為正差動(dòng)輸入通道(A IN 0),通道1為負(fù)差動(dòng)輸入端(A IN 1),作單極測(cè)量時(shí),一般用 A IN0,A IN 1作為單極輸入端;A INCOM作為公共端輸入,ADS1255的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ADS1255內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

ADS1255具有檢測(cè)連接至輸入端外部傳感器的完整性的電路,傳感器檢測(cè)電路簡(jiǎn)化,當(dāng)開(kāi)啟傳感器檢測(cè)功能時(shí),ADS1255自動(dòng)開(kāi)啟輸入緩沖器,SDCS通過(guò)MUX提供傳感器一個(gè)約0.5uA、2uA、10uA的電流ISDC,得知(A IN0-A IN1)=ISDC(2RMUX+RRES),當(dāng)傳感器短路時(shí)(即RRES=0),仍有很小的信號(hào)(即 ISCDx2RMUX)被 ADS1255檢測(cè)到,此時(shí)ADS1255有一很微小的轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出;當(dāng)傳感器斷路時(shí),ADS1255轉(zhuǎn)換結(jié)果異常。此方法可以檢測(cè)出傳感器的工作狀態(tài),正常工作時(shí)關(guān)閉傳感器檢測(cè)功能,傳感器檢測(cè)電路見(jiàn)圖2。

圖2 傳感器檢測(cè)電路圖

ADS1255內(nèi)部的調(diào)制器是一個(gè)四階∑△系統(tǒng),通過(guò)內(nèi)部電容不斷的充放電來(lái)測(cè)量輸入信號(hào)。四階∑△調(diào)制器的輸出經(jīng)可編程低通濾波器后變成高精度的數(shù)字輸出。通過(guò)調(diào)整濾波次數(shù),用戶能夠在精度和數(shù)據(jù)速率之間形成最佳組合。濾波次數(shù)越多,精度越高;濾波次數(shù)越少,速度越快。

ADS1255采用四線制(時(shí)鐘信號(hào)線 SCL K、數(shù)據(jù)輸入線D IN、數(shù)據(jù)輸出線DOU T和片選線CS)SPI通訊方式,SPI通訊時(shí)序關(guān)系見(jiàn)圖3。在此模式下,可以通過(guò)各種主控制器來(lái)控制ADS1255片上的寄存器。串口通訊時(shí)必須保持CS為低電平。在SPI傳送過(guò)程中,數(shù)據(jù)被同步地發(fā)送和接收,SCL K、D IN和DOU T同步移動(dòng),SCL K信號(hào)要保持干凈以免發(fā)生數(shù)據(jù)丟失。D IN結(jié)合 SCL K用來(lái)向ADS1255發(fā)送數(shù)據(jù),在 SCL K的下降沿有效;DOU T結(jié)合SCL K用來(lái)從ADS1255讀取數(shù)據(jù),在SCL K的上升沿有效。D IN和DOU T也可以通過(guò)一條雙向信號(hào)線與主控制器相連,這種情況下一定不能用 RDA TAC命令來(lái)讀取數(shù)據(jù),在空閑時(shí),DOU T處于高阻態(tài)。

ADS1255有2個(gè)通用數(shù)字 I/O口D0、D1,所有的I/O口都可以通過(guò) IO寄存器設(shè)置為輸入或輸出,D0腳還可以設(shè)置為一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器供別的設(shè)備使用,如微控制器等。此時(shí)鐘可以通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器寄存器的CL K0和CL K1位設(shè)置成以或 工作。未用的IO引腳可以設(shè)置為輸入接地也可以設(shè)置為輸出,有利于減小電源的消耗。

ADS1255的主時(shí)鐘可以由一個(gè)外部晶振或時(shí)鐘發(fā)生器提供。如果主時(shí)鐘由一個(gè)外部晶振產(chǎn)生,在PCB布線時(shí),晶振應(yīng)該盡量地靠近ADS1255,同時(shí)保證能夠起振,得到一個(gè)穩(wěn)定頻率,起振所用的電容一般用陶瓷電容,選擇晶振頻率為7.68M。

2.2 ADS1255的主要寄存器功能

圖3 SPI通訊時(shí)序圖

ADS1255工作過(guò)程的建立主要通過(guò)對(duì)11個(gè)獨(dú)立寄存器的設(shè)置來(lái)完成,這些寄存器包括所有需要設(shè)置的信息,例如采樣速度、模擬多路開(kāi)關(guān)、PGA設(shè)置、I/O選擇、自校準(zhǔn)等。主要寄存器狀態(tài)如表1示,即:狀態(tài)寄存器 Status、模擬多路開(kāi)關(guān)寄存器MUX,AD控制寄存器AD轉(zhuǎn)換器ON和數(shù)據(jù)速度寄存器DRA TE。

ADS1255是精度極高的A/D轉(zhuǎn)換器,為了得到最佳的轉(zhuǎn)換結(jié)果,在應(yīng)用期間要特別注意該器件的外圍電路和印刷電路板設(shè)計(jì)。如果ADS1255采用不同的地網(wǎng)絡(luò),應(yīng)避免模擬地(AGND)和數(shù)字地(DGND)之間有電壓存在。不用D0,D1時(shí)可以把其當(dāng)作輸入接地。如果不用RESET和SYNC/PDWN引腳,可以使其直接接數(shù)字電壓輸入端(DVDD)。

表1 ADS1255主要寄存器狀態(tài)表

3 A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計(jì)(圖4)

基準(zhǔn)電壓源采用AMS1117-3.3供電,在電壓的輸出端接濾波電容。信號(hào)由三分加速度計(jì)經(jīng)過(guò)一階低通濾波器傳給三個(gè)ADS1255,D0、D1/A INCOM分別接地,以便于減小電源的消耗,片內(nèi)集成了PGA(1～64)支持小信號(hào)的直接接入。ADS1255在設(shè)計(jì)時(shí)(44),在模擬電源和數(shù)字電源的輸入端并聯(lián)一個(gè)陶瓷電容,電容要靠近輸入端。在設(shè)計(jì)中,采用獨(dú)立的REF3225為VREFN和VREFP提供參考電源,該電源具有極低的噪聲和溫漂,不會(huì)影響ADS1255的性能。在接地方式采用模擬電源和數(shù)字電源共地。

圖4 數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路圖

圖5 Z分量的電路設(shè)計(jì)圖。X、Y分量的設(shè)計(jì)和Z分量的設(shè)計(jì)相同,A IN 0作為信號(hào)的輸入端;A IN 1輸入采用電位器分壓偏置1.65V輸入。

通常在信號(hào)輸入端采用RC低通濾波器來(lái)限制高頻噪聲,注意輸入線越短越好。電路設(shè)計(jì)的信號(hào)輸入通過(guò)一個(gè)低通濾波器,是允許低頻信號(hào)通過(guò),高頻信號(hào)衰減的電路。

低通濾波器的幅頻特性:

當(dāng) f=f P時(shí),上式變成:

公式(1)的物理意義是:因低通電路的增益隨頻率的增大而下降,當(dāng)?shù)屯娐返脑鲆嫦陆盗?dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率就是通帶截止頻率 f P。也可以說(shuō),當(dāng)電路的放大倍數(shù)下降到原來(lái)的0.707時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。對(duì)于低通濾波器稱為上限截止頻率,用符號(hào)f H來(lái)表示。設(shè)計(jì)中初步選擇 R為 1000Ω、C為0.1μF,它的上限截止頻率為:

當(dāng) f=1 k Hz時(shí),(1)中的 f/fP項(xiàng)比1小的多,結(jié)果為1.4 dB。即電路對(duì)低頻信號(hào)幾乎沒(méi)有衰減作用。從公式(3)可以看出電阻電容理論選擇適當(dāng)。

圖5 地震檢波器電路設(shè)計(jì)圖

采樣控制:可以完成A/D轉(zhuǎn)換器的參數(shù)配置,如采樣率、采樣時(shí)間、增益放大、通道選擇等參數(shù)。

3.2 測(cè)量控制程序流程設(shè)計(jì)(圖6)。

表2 采集命令定義列表

圖6 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程圖

4 試驗(yàn)及結(jié)論

試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,測(cè)試依據(jù)礦井地震勘探儀M T 470-1996標(biāo)準(zhǔn)中6.1.9進(jìn)行。測(cè)試系統(tǒng)是由數(shù)字地震檢波器樣機(jī)和調(diào)試電腦組成,線路按圖7所示連接設(shè)備。

圖7 動(dòng)態(tài)范圍試驗(yàn)設(shè)備連接關(guān)系圖

以無(wú)線數(shù)字檢波器的Z軸為測(cè)試試驗(yàn)軸。將Z軸的輸入信號(hào)端短路即輸入信號(hào)值為0時(shí),設(shè)置采樣頻率為4kHz、樣點(diǎn)數(shù)1024、增益為20,采集信號(hào)記錄為B,見(jiàn)圖8;記錄A為信號(hào)滿幅值5V,通過(guò)計(jì)算可得動(dòng)態(tài)范圍:

從采集的波形上來(lái)看,包括輸入端引入的感應(yīng)干擾信號(hào),噪聲信號(hào)基本上壓制在40m V左右,最大的噪聲信號(hào)在50m V以內(nèi),整體按50m V進(jìn)行計(jì)算如下:

圖8 信號(hào)輸入端短路噪聲測(cè)試圖

動(dòng)態(tài)范圍:計(jì)算經(jīng)過(guò)計(jì)算樣機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍已經(jīng)達(dá)到了100dB以上,能夠滿足礦井地震勘探標(biāo)準(zhǔn)≥40dB,一般礦井地震勘探為90dB的要求。滿足地震勘探的要求。從本次測(cè)量的結(jié)果來(lái)看,要使整機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到設(shè)計(jì)120dB以上,還需要對(duì)電路進(jìn)行相應(yīng)的降噪及軟件濾波處理等。

1 王選民.智能儀器原理及設(shè)計(jì).北京:清華大學(xué)出版社,2008

2 ADS1255,Very low noise 24-bit analog-to-digital converter,2008

3 Grant Christiansen,Seismic Sensor Demonstration Using an ADS1255 and TMS320VC5510A DSP,TEXAS INSTRUM ENTS,2009(1)

4 何建、胡焱、周超.24位 A/D轉(zhuǎn)換器 ADS1255及其應(yīng)用.西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)-自然科學(xué)版,2006(9)

5 REF3225.4ppm/C,100μA,SOT23-6 SERIES VOL TAGE REFERENCE.BB from TEXAS INSTRUM ENTS,2005(6)