楊志強(qiáng) 李軍峰 李文杰 郭 勇

（1.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059；2.中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北 廊坊 065000）

HDY-402三頻航空電磁儀一直在我國航空物探領(lǐng)域發(fā)揮重大作用，至今仍在內(nèi)蒙古執(zhí)行航空物探任務(wù)。在地質(zhì)填圖[2]、金屬礦勘查[3]等應(yīng)用領(lǐng)域均取得了很好的效果。其中模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度、速率對這套儀器中有很大影響，高精度、高速率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對提高探測精度，深度有重大意義。在HDY-402三頻航空電磁儀中要求實(shí)現(xiàn)高分辨率、多通道數(shù)據(jù)采集的功能。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用了LTC1605作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。

1.LTC1605芯片介紹

1.1 LTC1605基本特點(diǎn)

LTC1605是一款由+5V單電源供電的高速、低功耗、16位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換芯片。轉(zhuǎn)換速率為100ksps，與同類型的AD976與ADS7805相比，它的功耗更低，典型值僅為55mW。輸入電壓范圍為-10V～+10V，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)兼容。芯片內(nèi)部含有采樣保持、電壓基準(zhǔn)和時(shí)鐘等電路，可極大簡化用戶的電路設(shè)計(jì)和硬件開銷，并可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用0.3英寸窄型DIP28封裝，比標(biāo)準(zhǔn)28引腳封裝小一半。

1.2 引腳及功能

圖1 LTC1605引腳圖

LTC1605共有28個(gè)引腳，圖1為其引腳圖。其主要引腳功能如下。

VIN：模擬電壓輸入。該引腳和模擬信號源之間需要連接一個(gè)200Ω的電阻，輸入電壓范圍為±10V；

AGND1：模擬地。用于REF引腳的參考點(diǎn)；

REF：參考電壓輸入/輸出引腳。該引腳可接內(nèi)部+2.5V參考電壓，也可用外部參考源。通常需要在AGND1和REF引腳之間連接一個(gè)2.2μF的鉭電容。

CAP：參考緩沖器輸出。在CAP和AGND2引腳之間也需要連接一個(gè)2.2μF的鉭電容；

AGND2：模擬地；

D15～D0：16位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)結(jié)果輸出引腳；

DGND：數(shù)字地。

BYTE：字節(jié)選擇引腳。BYTE為低電平時(shí)，6～13引腳上的數(shù)據(jù)為高字節(jié)，15～22引腳上的數(shù)據(jù)為低字節(jié)；當(dāng)BYTE為高電平時(shí)，6～13引腳上的數(shù)據(jù)為低字節(jié)，15～22引腳上的數(shù)據(jù)為高字節(jié)。

VANA：模擬電源，一般為+5V。

VDIG：數(shù)字電源，一般為+5V。

1.3 LTC1605工作模式

圖2 信號固定為低時(shí)的轉(zhuǎn)換時(shí)序

圖3 利用控制轉(zhuǎn)換和讀操作的時(shí)序

LTC1605有兩種工作模式，第一種轉(zhuǎn)換模式的時(shí)序如圖2所示。在這一模式中引腳固定為低電平，轉(zhuǎn)換時(shí)序由信號的負(fù)跳變控制，該信號脈沖寬度至少應(yīng)為40ns。當(dāng)變?yōu)榈碗娖讲⒀舆tt3后信號將變?yōu)榈碗娖街钡睫D(zhuǎn)換完成。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，移位寄存器中的數(shù)據(jù)將被新的二進(jìn)制補(bǔ)碼數(shù)據(jù)所更新。該模式下的采樣速率可由信號的負(fù)脈沖來決定（即圖2中的t11）。

第二種轉(zhuǎn)換模式的時(shí)序如圖3所示。該模式通過R/C信號來控制轉(zhuǎn)換及輸出數(shù)據(jù)的讀出過程。在這一模式中，R/C信號的下降沿必須比脈沖（脈沖寬度40ns）至少提前10ns送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入引腳，一旦這兩個(gè)負(fù)脈沖到來，并延遲t3后信號將變?yōu)榈碗娖街钡睫D(zhuǎn)換完成，同時(shí)將在最多8μs（轉(zhuǎn)換速率100ksps時(shí)）后將信號返回高電平，這時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)果在D0～D15上的數(shù)據(jù)有效。

1.4 讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果

由于LTC1605轉(zhuǎn)換得到的結(jié)果為16位。所以對8位單片機(jī)而言，需要分兩次讀入，這個(gè)功能由和BYTE來控制實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)讀取時(shí)序如圖4所示。設(shè)計(jì)中用到的是D0～D7（即PINS15 TO 22）8個(gè)數(shù)據(jù)輸出口，由圖4的時(shí)序圖可看出在R/高電平期間，當(dāng)BYTE為低電平時(shí)，D0～D7的數(shù)據(jù)輸出為低字節(jié)；BYTE為高電平時(shí)，D0～D7的數(shù)據(jù)輸出為高字節(jié)。

圖4 BYTE和控制數(shù)據(jù)讀取時(shí)序

LTC1605的轉(zhuǎn)換的結(jié)果是以補(bǔ)碼形式輸出，現(xiàn)給出幾種有特定意義的值。表1列出的是LTC1605模擬電壓與其補(bǔ)碼形式輸出的數(shù)字輸出關(guān)系，-10V～9.999695V為量程，305μV為分電壓辨率。

表1 模擬電壓與數(shù)字輸出電壓的對應(yīng)關(guān)系

2.在HDY-402三頻航空電磁儀中的應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)框圖

在HDY-402三頻航空電磁儀的設(shè)計(jì)中，LTC1605主要應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，圖4是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的框圖。在設(shè)計(jì)中為了節(jié)約成本和空間，采用了多通道共用一個(gè)ADC的方式。為了減少輸入信號信號的干擾[4]，輸入信號先經(jīng)過通過光耦電路進(jìn)入電路。再經(jīng)過由OP07組成的信號調(diào)理電路后通過多選開關(guān)控制選通，將模擬信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入單片機(jī)。

圖5 HDY-402數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

2.2 LTC1605與單片機(jī)的連接

LTC1605與單片機(jī)的連接如圖6所示。設(shè)計(jì)中使用的是D0～D7數(shù)據(jù)輸出口。D0～D7跟單片機(jī)的P0.0～P0.7口相連。，BYTE 四個(gè)控制引腳分別與單片機(jī) P1.4～P1.7相連。

圖6 LTC1605連接圖

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換的軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)程序設(shè)計(jì)采用C語言，以下給出數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理子程序。數(shù)據(jù)采集子程序中將引腳始終保持為低電平，利用控制轉(zhuǎn)換。程序中低字節(jié)用ul表示，高字節(jié)用uh表示，最后整合成16位數(shù)據(jù)u。程序中_nop_()表示一個(gè)指令周期的空操作，在程序中作延遲用，系統(tǒng)中采用的是11.0592MHz晶振，故_nop_()大約是1μs的延遲。

以下為數(shù)據(jù)處理子程序。由于單片機(jī)只是進(jìn)行初步數(shù)據(jù)處理，設(shè)計(jì)中使用了較為簡單的算術(shù)平均濾波法。連續(xù)取12個(gè)采樣值然后進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算得到處理后的值。采用軟件濾波法不增加硬件負(fù)擔(dān)，而且濾波方法靈活[5]，在應(yīng)用中取得良好效果。

3.結(jié)束語

LTC1605作為一款低功耗16位AD芯片。不僅分辨率高，轉(zhuǎn)換速度快，而且接口方便，電路簡單，應(yīng)用前景廣闊。在HDY-402三頻航空電磁儀的使用中取得了良好的效果。

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